DE10392987T5 - Galvanic cell type chemical reaction system, method of activating this and method of reaction - Google Patents

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Yoshinobu Nagoya Fujishiro
Jin Hwamg Nagoya Hae
Shuzo Nagoya Kanzaki
Sergei Nagoya Bredikhin
Shingo Nagoya Katayama
Takuya Nagoya Hiramatsu
Osumu Nagoya Shiono
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Abstract

Chemisches Reaktionssystem zum Durchführen chemischer Reaktionen einer Zielsubstanz, das einen chemischen Reaktionsteil umfasst, der sich aus einem Sauerstoffionenleiter (Ionenleitungsphase) und zwei Elektroden, einer Katode (Reduktionsphase) und einer dazugehörigen Anode (Oxidationsphase), wobei sich die Ionenleitungsphase zwischen diesen befindet, als Grundeinheiten zusammensetzt, wobei Mikroreaktionsbereiche, an denen Oxidoreduktionen einer Zielsubstanz stattfinden, in einen Teil des chemischen Reaktionsteils eingeführt werden, indem in einer reduzierenden Atmosphäre oder unter vermindertem Druck auf die Stellen des Kontakts zwischen der Ionenleitungsphase und einer Elektronenleitungsphase, die sich aus einer Kombination von beliebigen eines Ionenleiters, eines Elektronenleiters oder eines elektrischen Mischleiters zusammensetzt, im chemischen Reaktionsteil Strom oder Spannung angelegt oder eine Wärmebehandlung angewendet wird.chemical Reaction system for performing chemical reactions of a target substance, which is a chemical reaction part comprising an oxygen ion conductor (ion conduction phase) and two electrodes, a cathode (reduction phase) and an associated anode (Oxidation phase), with the ionic conduction phase between them is composed of basic units, with microreaction areas, where oxidoreductions of a target substance take place, into one Part of the chemical reaction part are introduced by in one reducing atmosphere or under reduced pressure on the points of contact between the Ion conduction phase and an electron conduction phase resulting from a combination of any of an ionic conductor, an electron conductor or a mixed electric conductor, in chemical Reaction part applied current or voltage or a heat treatment is applied.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein chemisches Reaktionssystem des galvanischen Zellentyps und betrifft spezifischer ausgedrückt ein chemisches Reaktionssystem, das Stickstoffoxide effizient aus Abgas, das Sauerstoff enthält, ausschließt. Die vorliegende Erfindung ist insofern von Nutzen, dass sie einen neuartigen chemischen Reaktor, der Mikroreaktionsbereiche aufweist, zum Durchführen von Oxidations- und Reduktionsreaktionen an einer Zielsubstanz, die in einen Teil des chemischen Reaktionsteils des oben erwähnten chemischen Reaktionssystems eingeführt wurde, so dass Sauerstoff und Stickstoffoxide getrennt und von bestimmten Strukturen in den oben erwähnten Mikroreaktionsbereichen aus Abgas adsorbiert werden, bereitstellt, wodurch das effiziente Verarbeiten einer Zielsubstanz mit geringer Aufnahme elektrischer Energie ermöglicht wird.The The present invention relates to a chemical reaction system of galvanic cell type and, more specifically, a chemical reaction system that efficiently removes nitrogen oxides from exhaust gas, containing oxygen, excludes. The present invention is useful in that it has a novel chemical reactor having microreaction regions, to perform of oxidation and reduction reactions on a target substance, in a part of the chemical reaction part of the above-mentioned chemical Reaction system introduced was so that oxygen and nitrogen oxides separated and from certain Structures in the above mentioned Microreaction regions are adsorbed from exhaust gas provides whereby the efficient processing of a target substance with low intake electrical energy allows becomes.

Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Energie einsparendes elektrochemisches Reaktionssystem und ein Aktivierungsverfahren für dieses und betrifft insbesondere ein chemisches Reaktionssystem, das Stickstoffoxide effizient aus Abgas, das beispielsweise Sauerstoff enthält, ausschließt, und ein Verwendungsverfahren und ein Aktivierungsverfahren für dieses. Die vorliegende Erfindung ist insofern von Nutzen, dass sie ein neues chemisches Reaktionssystem zusammen mit einem Verwendungsverfahren und einem Aktivierungsverfahren für dieses bereitstellt, wobei, wenn die Reaktivität durch Adsorption von Sauerstoffatomen an der Oberfläche während des Ausschließens von Stickstoffoxiden aus Abgas im elektrochemischen Reaktionssystem reduziert worden ist, das oben erwähnte chemische Reaktionssystem bei geringer Energieaufnahme reaktiviert werden kann, wodurch eine effiziente chemische Reaktion der Zielsubstanz ermöglicht wird.Furthermore The present invention relates to an energy-saving electrochemical reaction system and an activation procedure for this and more particularly relates to a chemical reaction system containing nitrogen oxides efficiently excludes exhaust gas containing, for example, oxygen, and a method of use and an activation method for this. The present invention is useful in that it is a new chemical reaction system together with a method of use and an activation method for this, wherein when the reactivity is through Adsorption of oxygen atoms at the surface during the exclusion of Nitrogen oxides from exhaust gas in the electrochemical reaction system has been reduced, the above-mentioned chemical reaction system can be reactivated at low energy consumption, creating a efficient chemical reaction of the target substance is made possible.

Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Reaktionsverfahren, in dem ein Oxidoreduktionsreaktor verwendet wird, und betrifft insbesondere ein chemisches Reaktionsverfahren zum Oxidieren von beispielsweise organischer Materie, organischen Chlorverbindungen, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Stickstoffoxiden, Ammoniak und dergleichen oder ein chemisches Reaktionsverfahren zum Reduzieren von organischer Materie, Sauerstoff, Wasser, Stickstoffoxiden und dergleichen, in dem ein Oxidoreduktionsreaktor verwendet wird, der sich aus einem Festelektrolyt, bei dem es sich um einen Sauerstoffionenleiter handelt, und mindestens einer Elektrode, die aus einem Elektronenleiter besteht, zusammensetzt. Die vorliegende Erfindung ist insofern von Nutzen, dass sie ein Verfahren zum Entfernen von Stickstoffoxiden aus dem Abgas von beispielsweise Brennern und dergleichen, in dem der oben erwähnte Oxidoreduktionsreaktor verwendet wird, bereitstellt.Furthermore The present invention relates to a reaction process in which an oxidoreduction reactor is used, and in particular a chemical reaction method for oxidizing, for example organic matter, organic chlorine compounds, hydrogen, Carbon monoxide, nitrogen oxides, ammonia and the like or chemical reaction process for reducing organic matter, Oxygen, water, nitrogen oxides and the like, in which an oxidoreduction reactor is used, which consists of a solid electrolyte in which it is is an oxygen ion conductor, and at least one electrode, which consists of an electron conductor composed. The present This invention is useful in that it provides a method for removing Nitrogen oxides from the exhaust gas of, for example, burners and the like, in which the above mentioned Oxidoreduct reactor is used.

Derzeit arbeitet das Hauptverfahren zum Ausschließen von Stickstoffoxiden, die von Benzinmotoren erzeugt wurden, mit ternären Katalysatoren. Da das Abgas aus abgasarmen Verbrennungsmotoren und Dieselmotoren, die einen verbesserten Treibstoffverbrauch ermöglichen, jedoch einen Überschuss an Sauerstoff enthält, ist die Reduktion von katalytischer Aktivität aufgrund der Adsorption von Sauerstoff durch die Oberfläche des ternären Katalysators ein Problem, das das Ausschließen von Stickstoffoxiden verhindert.Currently works the main method for eliminating nitrogen oxides, the produced by gasoline engines, with ternary catalysts. Because the exhaust from low-emission combustion engines and diesel engines, the one improved fuel consumption, but a surplus contains oxygen, is the reduction of catalytic activity due to the adsorption of oxygen through the surface of the ternary Catalyst a problem that prevents the exclusion of nitrogen oxides.

Andererseits wird durch Anlegen eines Stromflusses an einen Festelektrolytenfilm mit Sauerstoffionenleitfähigkeit ebenfalls eine Entfernung erzielt, ohne dass eine Adsorption von Sauerstoff aus dem Abgas durch eine Katalysatoroberfläche bewirkt wird. Bei einem Vorschlag für einen katalytischen Reaktor handelt es sich um ein System, das gleichzeitig Oberflächensauerstoff entfernt und Stickstoffoxide in Sauerstoff und Stickstoff zerlegt, indem an einen Festelektrolyten, der zwischen Elektroden zu beiden Seiten eingeschoben ist, Spannung angelegt wird.on the other hand is by applying a current flow to a solid electrolyte film with oxygen ion conductivity also achieved a distance without any adsorption of Oxygen from the exhaust gas is caused by a catalyst surface. In a proposal for a catalytic reactor is a system that simultaneously contains surface oxygen removed and decomposed nitrogen oxides into oxygen and nitrogen, by attaching to a solid electrolyte, between electrodes on both sides is inserted, voltage is applied.

Es besteht jedoch darin ein Problem, dass die Adsorptionswahrscheinlichkeit der Stickstoffoxide in dem oben erwähnten Verfahren, wenn im Abgas ein Überschuss an Sauerstoff vorliegt, da die Adsorptions- und Aufspaltungsreaktionsstellen des Sauerstoffs und der Stickstoffoxide, die nebeneinander vorliegen (koexistieren), aus denselben Sauerstofffehlstellen bestehen, aufgrund von sowohl der molekularen Selektivität und den Verhältnissen der koexistierenden Moleküle viel niedriger als die der Sauerstoffmoleküle ist, so dass ein großer Stromfluss erforderlich ist, um die Stickstoffoxide aufzuspalten, was die Aufnahme elektrischer Energie erheblich erhöht.It However, there is a problem that the adsorption probability the nitrogen oxides in the above-mentioned process, when in the exhaust gas, an excess oxygen, since the adsorption and decomposition reaction sites of oxygen and nitrogen oxides coexisting (coexist), consist of the same oxygen vacancies, due of both molecular selectivity and ratios of coexisting molecules much lower than that of the oxygen molecules, allowing a large current flow is necessary to split the nitrogen oxides, causing the uptake significantly increased electrical energy.

Unter diesen Umständen hatten die Erfinder der vorliegenden Erfindung bereits entdeckt, dass es in einem chemischen Reaktor möglich ist, eine Zielsubstanz bei geringer Aufnahme elektrischer Energie effizient zu verarbeiten, indem die interne Struktur der Katode als eine Struktur gefertigt wird, in der nanometergroße Durchgangslöcher durch die Oberseite ein und derselben Schicht gezogen werden und ein Elektronenleiter und ein Ionenleiter im Maßstab von Nanometern bis zu weniger als einem Mikron zusammen in einem dichten Netz verteilt werden, wodurch der überschüssige Sauerstoff, bei dem es sich um ein bei der chemischen Reaktion der Zielsubstanz störendes Gas handelt, reduziert wird (japanische Patentanmeldung 2001-225034). Da bei diesem Verfahren jedoch im behandelten Gas verbleibende Sauerstoffmoleküle, die den oberen Teil ein und derselben Schicht durchlaufen haben, noch immer stärker als die Stickstoffoxide selektiv adsorbiert und in den Reaktionsstellen aufgespalten werden, ist die Verminderung der Energieaufnahme unzureichend.Under these circumstances, the inventors of the present invention had already discovered that it is possible in a chemical reactor to efficiently process a target substance with low electrical energy consumption by fabricating the internal structure of the cathode as a structure in which nanometer sized through-holes Top of one and the same layer are drawn and an electron conductor and an ionic conductor in the scale of nanometers to less than one micron are distributed together in a dense network, whereby the excess oxygen, which is a disturbing in the chemical reaction of the target substance gas is reduced (Japanese Patent Application 2001-225034). However, in this method, since oxygen molecules remaining in the treated gas that have passed through the upper portion of one and the same layer are still selectively adsorbed and split at the reaction sites, the amount of nitrogen oxides is still more strongly adsorbed the reduction of energy intake insufficient.

Darüber hinaus besteht ein weiteres Problem bei diesem Verfahren darin, dass die Verminderung der Energieaufnahme unzureichend ist, da fortlaufend Strom zugeführt werden muss, um die koexistierenden Sauerstoffmoleküle zu entfernen.Furthermore Another problem with this method is that the Reduction in energy intake is inadequate as continuous Supplied with electricity must be to remove the coexisting oxygen molecules.

Andererseits wird in chemischen Reaktionen und insbesondere in Oxidoreduktionen häufig eine Vielfalt von Katalysatoren, darunter Katalysatoren der homogenen Katalyse und Katalysatoren der heterogenen Katalyse, verwendet. Verglichen mit Katalysatoren der homogenen Katalyse bieten Katalysatoren der heterogenen Katalyse, die feste Katalysatoren, wie beispielsweise Edelmetalle und Zeolithen, verwendeten, den Vorteil der einfachen Trennung des reagierenden Stoffs vom Katalysator. Obwohl Katalysatoren der heterogenen Katalyse eine einfache Abtrennung des Katalysators ermöglichen, wird trotzdem das benötigte Produkt, da der Rohstoff und der reagierende Stoff ein und denselben Raum belegen, von nicht umgesetztem Rohstoff und Nebenprodukten getrennt und gereinigt. Bei einem Verfahren, das untersucht worden ist und keine derartige Trennung und Reinigung erfordert, handelt es sich um ein Verfahren, das eine Reaktionstrennmembran einsetzt (Kagaku Sosetsu Nr. 41, „Design of high function catalysts", Japan Chemical Society (1999), S. 131).on the other hand is used in chemical reactions and in particular in oxidoreductions often a variety of catalysts, including catalysts of the homogeneous Catalysis and catalysts of heterogeneous catalysis, used. Compared with catalysts of homogeneous catalysis offer catalysts heterogeneous catalysis, solid catalysts such as Precious metals and zeolites, used, the advantage of the simple Separation of the reactant from the catalyst. Although catalysts the heterogeneous catalysis a simple separation of the catalyst enable, will still be needed Product, because the raw material and the reactive substance one and the same Room, of unreacted raw materials and by-products separated and cleaned. In a procedure that has been investigated is and does not require such separation and purification is it is a process that employs a reaction separation membrane (Kagaku Sosetsu No. 41, "Design of high function catalysts ", Japan Chemical Society (1999), p. 131).

Bei einem Verfahren, das eine Reaktionstrennmembran einsetzt, werden beispielsweise, wenn Ethan durch eine Sauerstoffverknüpfungsreaktion von Methan unter Verwendung einer sauerstoffdurchlässigen Membran synthetisiert wird (3CH4 + 1/2 O2 → C2H4 + H2O), CH4 und O2 durch die sauerstoffdurchlässige Membran getrennt und auf der Wand der durchlässigen Membran wird auf der CH4-Seite ein geeigneter Katalysator angeordnet, um ein System mit CH4, Katalysator, sauerstoffdurchlässiger Membran und O2 zu bilden, und O2 wird auf dem Katalysator durch die sauerstoffdurchlässige Membran aktiviert, um Ethan selektiv zu synthetisieren. Wenn die gleiche Reaktion unter Verwendung einer wasserstoffdurchlässi gen Membran durchgeführt wird, wird natürlich die wasserstoffdurchlässige Membran zwischen dem CH4 und dem O2 in einem System mit CH4, Katalysator, wasserstoffdurchlässiger Membran und O2 angeordnet; es muss jedoch ein Katalysator mit Methandehydrieraktivität auf der Wand der durchlässigen Membran angeordnet werden. Membranen, die als Reaktionstrennmembranen verwendet werden, werden im Allgemeinen gemäß dem Permeationsmechanismus der permeierten Substanz in poröse Membranen, Metallmembranen, Ionenleitermembranen, Mischleitermembranen und dergleichen unterteilt. Poröse Membranen, die eine selektive Permeation von Molekülen ermöglichen, beinhalten Zeolithen und andere Membranen mit Nanoporen; die Synthese von dichten Zeolith-Membranen ohne Stiftlöcher hat sich jedoch nicht bewährt.For example, in a method employing a reaction separation membrane, when ethane is synthesized by an oxygen linkage reaction of methane using an oxygen-permeable membrane (3CH 4 + 1 / 2O 2 → C 2 H 4 + H 2 O), CH 4 and O 2 is separated by the oxygen permeable membrane and on the wall of the permeable membrane a suitable catalyst is placed on the CH 4 side to form a system with CH 4 , catalyst, oxygen permeable membrane and O 2 , and O 2 is passed through the catalyst the oxygen permeable membrane is activated to selectively synthesize ethane. When the same reaction is carried out using a hydrogen-permeable membrane, of course, the hydrogen-permeable membrane is disposed between the CH 4 and the O 2 in a system with CH 4 , catalyst, hydrogen-permeable membrane and O 2 ; however, a catalyst with methane dehydrogenation activity must be placed on the wall of the permeable membrane. Membranes used as reaction separation membranes are generally subdivided into porous membranes, metal membranes, ionic conductor membranes, mixed conductor membranes, and the like, according to the permeation mechanism of the permeated substance. Porous membranes that allow for selective permeation of molecules include zeolites and other membranes with nanopores; However, the synthesis of dense zeolite membranes without pinholes has not been proven.

Von den Metallmembranen werden Pd-Membranen und Membranen aus einer Pd-Au-Legierung als Reaktionstrennmembranen verwendet. Beide werden als Wasserstoffreaktionstrennmembranen (wasserstoffdurchlässige Membranen) verwendet. Die Konzentrationsdifferenz (Wasserstoffpartialdruckdifferenz) zwischen den zwei Seiten der Membran wird als Antriebskraft einer wasserstoffdurchlässigen Membran verwendet. Ionenleitermembranen (Elektrolytmembranen) sind vor allem Wasserstoffionenleiter und Sauerstoffionenleiter. Wenn eine Ionenleitermembran als eine Reaktionstrennmembran verwendet wird, werden Elektroden zu beiden Seiten der Membran installiert und die Elektroden werden mit elektrischen Drähten elektrisch miteinander verbunden, da es sich bei der durch die Ionen geleiteten Antriebskraft um einen Gradienten des elektrischen Felds handelt. Es kommt zu einer Bewegung von Elektronen durch den Führungsdraht (externen Schaltkreis), da die Ionen die Membran durchlaufen, während sie gleichzeitig die elektrische Ladung neutralisieren. In einer Mischleitermembran besteht kein Erfordernis von Elektroden und Führungsdrähten zum Senden der Elektronen, da sowohl Ionen als auch Elektronen (oder Defektelektronen) durch die Membran geleitet werden können. Die Konzentrationsdifferenz zwischen den zwei Seiten der Membran wird indes als Ionenantriebskraft verwendet.From The metal membranes are made of Pd membranes and membranes from a Pd-Au alloy used as reaction separation membranes. Both will as hydrogen reaction separation membranes (hydrogen permeable membranes) used. The concentration difference (hydrogen partial pressure difference) between the two sides of the membrane is used as a driving force hydrogen permeable Membrane used. Ion conductor membranes (electrolyte membranes) are especially hydrogen ion conductors and oxygen ion conductors. If an ion conductor membrane is used as a reaction separation membrane As a result, electrodes are installed on both sides of the membrane and the electrodes become electrically connected to each other with electric wires because it is the driving force conducted by the ions is a gradient of the electric field. It comes to a movement of electrons through the guide wire (external circuit), because the ions pass through the membrane, while at the same time neutralize electrical charge. Exists in a mixed conductor membrane no requirement of electrodes and guidewires to send the electrons, since both ions and electrons (or holes) through the membrane can be passed. The concentration difference between the two sides of the membrane becomes meanwhile used as ion drive force.

Insbesondere bei einer Reaktionstrennmembran, bei der eine Ionenleitermembran eingesetzt wird, kann eine Reaktion ungeachtet der Konzentrationsdifferenz ablaufen, da der Gradient des elektrischen Felds die Antriebskraft ist. Es sind jedoch Elektroden erforderlich und für die Elektroden wird eine stabile Substanz mit Elektronenleitfähigkeit, die bei Oxidations- und Reduktionsreaktionen inaktiv ist, verwendet. Es werden beispielsweise Edelmetalle wie Pt, Pd und dergleichen, Kohlenstoff und in oxidierenden Atmosphären LaCoO3, LaFeO3, LaMnO3, LaCrO3 und andere elektronenleitende Oxide und dergleichen verwendet. Bei einem Beispiel einer Reaktionstrennmembran, bei der eine Wasserstoffionenleitermembran eingesetzt wird, wird in Spurenanteilen vorliegendes Acetylen durch Hydrierung aus Ethylen entfernt. Es wird ein Reaktor, wie beispielsweise ein Reaktor mit C2H4, C2H2, Cu-Elektrode, Wasserstoffionenleitermembran, Platinschwarz-Elektrode und H2 konstruiert und Elektrizität zwischen den zwei Elektroden angelegt, um Acetylen selektiv zu hydrieren (reduzieren), so dass als Verunreinigung im Ethylen vorliegendes Acetylen in Ethylen umgewandelt und entfernt wird. Eine derartige Reaktion erfolgt aufgrund der starken Affinität zwischen Acetylen und der Cu-Elektrode und dem Vorkommen von atomarem Wasserstoff, der durch die Wasserstoffionenleitermembran gesendet wurde.In particular, in a reaction separation membrane using an ion conductor membrane, a reaction may proceed regardless of the concentration difference, since the gradient of the electric field is the driving force. However, electrodes are required and the electrodes use a stable substance with electron conductivity which is inactive in oxidation and reduction reactions. For example, noble metals such as Pt, Pd and the like, carbon and in oxidizing atmospheres LaCoO 3 , LaFeO 3 , LaMnO 3 , LaCrO 3 and other electron-conductive oxides and the like are used. In an example of a reaction separation membrane employing a hydrogen ion conductor membrane, trace amount of acetylene is removed by hydrogenation from ethylene. A reactor such as a C 2 H 4 , C 2 H 2 , Cu electrode, hydrogen ion conducting membrane, platinum black electrode and H 2 reactor is constructed and electricity is applied between the two electrodes to selectively hydrogenate (reduce) acetylene, such that acetylene present as an impurity in the ethylene is converted to ethylene and removed. Such a reaction is due to the strong affinity between acetylene and the Cu electrode and the presence of atomic hydrogen, which is due to the Hydrogen ion conductor membrane was sent.

Bei einem Beispiel einer Reaktionstrennmembran, bei der eine Festelektrolytmembran mit Sauerstoffionenleitfähigkeit eingesetzt wird, werden Stickstoffoxide durch Reduktion aus Abgas entfernt. Bei einem Reaktor, der vorgeschlagen worden ist, handelt es sich um ein System, das zum gleichzeitigen Entfernen von Oberflächensauerstoff und Zerlegen von Stickstoffoxiden in Sauerstoff und Stickstoff durch Anlegen von Spannung an einen Festelektrolyten, der zwischen Elektroden zu beiden Seiten eingeschoben ist, entwickelt wurde. Zur Darstellung des verwandten Stands der Technik: In der Literatur des Stands der Technik ist vorgeschlagen worden, auf beiden Seiten von mit Scandiumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid Platin-Elektroden zu formen und Spannung anzulegen, um in Stickstoff und Sauerstoff zu zerlegen (J. Electrochemical Soc. 122, 869 (1975)). In der Literatur des Stands der Technik ist ebenfalls vorgeschlagen worden, auf beiden Seiten von mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid Palladium-Elektroden zu formen und Spannung anzulegen, um in einem Mischgas aus Stickstoffoxiden, Kohlenwasserstoffen und Sauerstoff in Stickstoff und Sauerstoff aufzuspalten (J. Chem. Soc. Faraday Trans. 91, 1995 (1995)). Auf diese Weise kann bei einer Reaktionstrennmembran, bei der eine Ionenleitermembran mit Elektroden versehen und Spannung zwischen den Elektroden angelegt ist, wobei der Gradient des elektrischen Felds die Antriebskraft ist, nicht nur die Reaktion unabhängig von der Konzentrationsdifferenz des reagierenden Stoffs oder Produkts ablaufen; es werden außerdem die Arten von Ionen, die die Ionenleitermembran durchlaufen, an der Elektrode aktiviert und die Moleküle werden problemlos an der Grenzfläche zwischen dem Ionenleiter und der Elektrode aufgespalten, so dass die Oxidation und die Reduktion einfach durchgeführt werden können.at an example of a reaction separation membrane in which a solid electrolyte membrane with oxygen ion conductivity is used, nitrogen oxides by reduction from exhaust gas away. In a reactor that has been proposed acts It is a system designed to simultaneously remove surface oxygen and decomposing nitrogen oxides into oxygen and nitrogen Applying voltage to a solid electrolyte between electrodes inserted on both sides has been developed. To the representation of the related art: In the literature of the state of Technique has been suggested on both sides with scandium oxide stabilized zirconium oxide to form platinum electrodes and strain to disassemble into nitrogen and oxygen (J. Electrochemical Soc. 122, 869 (1975)). In the literature of the prior art is also proposed on both sides of stabilized with yttria Zirconium oxide to form palladium electrodes and apply voltage in a mixed gas of nitrogen oxides, hydrocarbons and To split oxygen into nitrogen and oxygen (J. Chem. Soc. Faraday Trans. 91, 1995 (1995)). This way can at a Reaction separation membrane, in which an ion conductor membrane with electrodes provided and voltage is applied between the electrodes, wherein the gradient of the electric field is the driving force, not only the reaction independent from the concentration difference of the reacting substance or product expire; it will be as well the types of ions that pass through the ion conductor membrane at the Electrode activates and the molecules are easily attached to the interface split between the ion conductor and the electrode, so that the oxidation and the reduction can be easily carried out.

Bei einem Reaktionsverfahren, in dem eine Reaktionstrennmembran verwendet wird, bei der eine Ionenleitermembran mit Elektroden versehen und Spannung zwischen den Elektroden angelegt ist, wobei der Gradient des elektrischen Felds die Antriebskraft ist, ist jedoch die Fähigkeit zur Oxidation und Reduktion hoch, die Selektivität indes niedrig. Beim Entfernen von Stickstoffoxiden in einem Reaktor, in dem der oben erwähnte Ionenleiter mit Elektroden versehen ist, durch Reduktion beispielsweise werden, wenn Sauerstoffmoleküle vorliegen, diese auch in Sauerstoffionen zerlegt, was die Effizienz der Entfernung von Stickstoffoxiden durch Reduktion, die das Ziel der Abgasreinigung ist, vermindert. Darüber hinaus muss, obwohl eine einfache Oxidoreduktion unter Verwendung eines reduzierenden Mittels oder eines oxidierenden Mittels mit geeigneter Selektivität ebenfalls möglich ist, in diesem Fall das reduzierende Mittel oder das oxidierende Mittel zugeführt oder ausgetauscht werden, da die Reaktion nicht fortschreiten kann, wenn dieses aufgebraucht ist.at a reaction method using a reaction separation membrane in which an ion conductor membrane is provided with electrodes and Voltage is applied between the electrodes, the gradient the electric field is the driving force, however, is the ability for oxidation and reduction high, but the selectivity low. When removing of nitrogen oxides in a reactor in which the above-mentioned ionic conductor is provided with electrodes, for example by reduction, if oxygen molecules These are also decomposed into oxygen ions, resulting in efficiency the removal of nitrogen oxides by reduction, which is the target the emission control is reduced. In addition, though one must simple oxidoreduction using a reducing agent or an oxidizing agent of suitable selectivity as well possible is, in this case, the reducing agent or the oxidizing agent Supplied funds or exchanged because the reaction can not progress, when this is used up.

Somit gelangten die Erfinder angesichts des oben erwähnten Stands der Technik zu der vorliegenden Erfindung als Ergebnis eingehender Forschung zur Lösung dieser verschiedenartigen Probleme, als sie entdeckten, dass eine Reaktion effizienter gestaltet werden kann, wenn Paare von Reaktionsstellen zum Durchführen gleichzeitig ablaufender Reduktionsreaktionen in einem chemischen Reaktionsteil (beispielsweise eine am oberen Teil einer Katode angeordnete Arbeitselektrodenschicht) gebildet werden und die selektive Adsorbierbarkeit in Bezug auf Sauerstoffmoleküle als auch Stickstoffoxide ausgenutzt wird.Consequently In the light of the above-mentioned prior art, the inventors were able to do so of the present invention as a result of in-depth research on solution of these diverse problems when they discovered that one Reaction can be made more efficient if pairs of reaction sites to Carry out simultaneously occurring reduction reactions in a chemical Reaction part (for example, a arranged at the upper part of a cathode Working electrode layer) and the selective adsorbability in terms of oxygen molecules and nitrogen oxides is exploited.

Das heißt, dass eine Aufgabe der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darin besteht, die oben erwähnten Probleme des Stands der Technik zu lösen und einen chemischen Reaktor bereitzustellen, der Stickstoffoxide bei geringer Energieaufnahme effizient ausschließen kann, wobei die zum Zerlegen von Stickstoffoxiden erforderliche Strommenge durch Verwendung von Paaren von adsorptionsfähigen Substanzen, die für Sauerstoffmoleküle und Stickstoffoxidmoleküle selektiv sind, zur Vereinfachung der Adsorption von Stickstoffoxiden, wenn im Abgas überschüssiger Sauerstoff vorliegt, vermindert wird.The is called, that is an object of the present invention Invention is to overcome the above-mentioned problems of the state of Technology to solve and to provide a chemical reactor containing nitrogen oxides with low energy intake can efficiently exclude, with the decomposition Nitrogen oxide required amount of electricity by using Pairs of adsorptive Substances for oxygen molecules and nitric oxide molecules to facilitate the adsorption of nitrogen oxides, when in the exhaust excess oxygen is present, is reduced.

Darüber hinaus gelangten die Erfinder angesichts des oben erwähnten Stands der Technik zu der vorliegenden Erfindung als Ergebnis eingehender Forschung, die auf die Lösung dieser verschiedenartigen Probleme abzielte, als sie entdeckten, dass es möglich war, Sauerstoffmoleküle zu ionisieren und zu entfernen und das System zu reaktivieren, indem in einer im oberen Teil einer Katode im chemischen Reaktionsteil angeordneten Arbeitselektrodenschicht örtliche Reaktionsstellen, die eine größere Effizienz der chemischen Reaktion durch gleichzeitiges Durchführen von Sauerstoffadsorption und Adsorptions-Reduktionsreaktionen von Stickstoffoxiden ermöglichen, gebildet werden und weiterhin nach Adsorption einer festgelegten Menge an Sauerstoffmolekülen Strom an das chemische Reaktionssystem angelegt wird.Furthermore In the light of the above-mentioned prior art, the inventors were able to do so of the present invention as a result of in-depth research, to the solution of these diverse problems when they discovered that it is possible was, oxygen molecules to ionize and remove and reactivate the system by in one in the upper part of a cathode in the chemical reaction part arranged working electrode layer local reaction sites, the greater efficiency of chemical reaction by simultaneously performing oxygen adsorption and allow adsorption-reduction reactions of nitrogen oxides, be formed and continue to adsorb a specified Amount of oxygen molecules Power is applied to the chemical reaction system.

Das heißt, dass eine Aufgabe der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darin besteht, die oben erwähnten Probleme zu lösen und ein chemisches Reaktionssystem bereitzustellen, in dem die zum Zerlegen von Stickstoffoxiden erforderliche Strommenge durch Vereinfachung der Adsorption von Stickstoffoxiden mittels Paaren von Substanzen mit selektivem Adsorptionsvermögen für Sauerstoffmoleküle und Stickstoffoxidmoleküle, wenn im Abgas überschüssiger Sauerstoff vorliegt, vermindert wird und in dem das chemische Reaktionssystem zeitgleich durch Anlegen von Strom nach Adsorption einer festgelegten Menge an Sauerstoff reaktiviert wird und das Stickstoffoxide bei geringer Energieaufnahme effizient ausschließen kann.That is, an object of the second embodiment of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a chemical reaction system in which the amount of electricity required for decomposing nitrogen oxides by simplifying the adsorption of nitrogen oxides by pairing substances having selective adsorptivity Oxygen molecules and nitrogen oxide molecules when excess oxygen is present in the exhaust gas is reduced, and in which the chemical reaction system is reactivated at the same time by applying current after adsorption of a fixed amount of oxygen and can exclude nitrogen oxides efficiently at low energy consumption.

Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die mit dem Ziel des Einführens eines neuen Reaktionsverfahrens in einem Oxidoreduktionsreaktor, das die oben erwähnten Probleme des Stands der Technik lösen kann, entwickelt wurde, ein neuartiges Reaktionsverfahren bereitzustellen, wobei eine Oxidation oder eine Reduktion mit hoher Selektivität unter Verwendung eines Oxidoreduktionsreaktors ohne Erfordernis des Zuführens oder Austauschens eines reduzierenden Mittels oder oxidierenden Mittels erzielt werden kann.Furthermore it is an object of the third embodiment of the present invention Invention, with the aim of introducing a new reaction process in an oxidoreduction reactor, which addresses the problems mentioned above solve the prior art may have been developed to provide a novel reaction process, wherein an oxidation or a reduction with high selectivity under Use of an oxidoreduction reactor without need of feeding or Replacing a reducing agent or oxidizing agent can be achieved.

Als Nächstes wird die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlicher erläutert.When next the first embodiment of the present invention in more detail explained.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein chemisches Reaktionssystem zum Durchführen chemischer Reaktionen einer Zielsubstanz und dieses chemische Reaktionssystem besteht aus einem chemischen Reaktionsteil, in dem die oben erwähnten chemischen Reaktionen der oben erwähnten Zielsubstanz durchgeführt werden, und vorzugsweise einer Sperrschicht zum Behindern der Ionisierung von Sauerstoff.The The present invention relates to a chemical reaction system for Carry out chemical reactions of a target substance and this chemical reaction system consists of a chemical reaction part in which the above-mentioned chemical Reactions of the above mentioned Target substance performed and, preferably, a barrier layer for inhibiting ionization of oxygen.

Der chemische Reaktionsteil zum Durchführen chemischer Reaktionen einer Zielsubstanz wird vorzugsweise mit einer Reduktionsphase, die durch Zuführen von Elektronen zu in der Zielsubstanz enthaltenen Elementen Ionen produziert, einer Ionenleitungsphase, die Ionen aus der Reduktionsphase leitet, und einer Oxidationsphase, die Elektronen von Ionen, die von der Ionenleitungsphase geleitet wurden, abgibt, versehen.Of the chemical reaction part for performing chemical reactions a target substance is preferably with a reduction phase, by feeding of electrons to elements contained in the target substance ions produces, an ionic conduction phase, the ions from the reduction phase conducts, and an oxidation phase, the electrons of ions, the were conducted by the ionic conduction phase, gives off, provided.

In der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der Zielsubstanz vorzugsweise um Stickstoffoxide in Abgas, und die Stickstoffoxide werden in der Reduktionsphase reduziert, um Sauerstoffionen zu erzeugen, die in der Ionenleitungsphase geleitet werden. Die Zielsubstanz in der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf Stickstoffoxide beschränkt. Im chemischen Reaktor der vorliegenden Erfindung kann Kohlendioxid reduziert werden, um Kohlenmonoxid zu produzieren, aus Methan kann ein Mischgas aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid produziert werden oder aus Wasser kann Wasserstoff produziert werden.In The present invention is the target substance preferably nitrogen oxides in exhaust gas, and the nitrogen oxides are reduced in the reduction phase to produce oxygen ions, which are conducted in the ionic conduction phase. The target substance however, in the present invention is not to nitrogen oxides limited. In the chemical reactor of the present invention, carbon dioxide can be reduced to produce carbon monoxide from methane a mixed gas of hydrogen and carbon monoxide are produced or hydrogen can be produced from water.

Das chemische Reaktionssystem kann in der Form beispielsweise eines Rohrs, einer Platte, einer Wabe oder dergleichen vorliegen; vorzugsweise weist es jedoch insbesondere ein oder mehrere Durchgangslöcher mit einem Paar von Öffnungen (wie in einem Rohr oder einer Wabe) auf, wobei sich in jedem Durchgangsloch chemische Reaktionsstellen befinden.The chemical reaction system may be in the form of, for example, a Pipe, a plate, a honeycomb or the like; preferably has However, it in particular one or more through holes with a pair of openings (like in a pipe or a honeycomb), wherein in each through hole chemical reaction sites are located.

Bei der oben erwähnten chemischen Reaktion ist die Reduktionsphase porös und sollte die Substanz, bei der es sich um das Ziel der Reaktion handelt, selektiv adsorbieren. Da bei der Reduktion in der Zielsubstanz enthaltenen Elementen Elektronen zugeführt werden, um Ionen zu erzeugen, die zur Ionenleitungsphase übermittelt werden, besteht die Reduktionsphase vorzugsweise aus einer elektrisch leitfähigen Substanz. Zum Zwecke des Förderns der Übermittlung von Elektronen und Ionen ist es wünschenswert, dass sie aus einer leitfähigen Mischsubstanz besteht, die die Merkmale von sowohl Elektronenleitung als auch Ionenleitung aufweist, oder dass sie aus einer Mischung aus einer elektronenleitenden Substanz und einer ionenleitenden Substanz besteht. Die Reduktionsphase kann eine Schichtstruktur aus mindestens zwei oder mehr Phasen dieser Substanzen aufweisen.at the above mentioned chemical reaction, the reduction phase is porous and should be the substance which is the target of the reaction, selectively adsorb. As elements contained in the reduction in the target substance electrons supplied be used to generate ions that transmit to the ion conduction phase are, the reduction phase is preferably made of an electrically conductive substance. For the purpose of promoting the transmission Of electrons and ions, it is desirable that they come from one conductive Mixed substance, which has the characteristics of both electron conduction as well as ionic conduction, or that they are made of a mixture made of an electron-conducting substance and an ion-conducting Substance exists. The reduction phase can be a layered structure have at least two or more phases of these substances.

Die elektrisch leitfähige Substanz und die ionenleitende Substanz, die als Reduktionsschicht verwendet werden, unterliegen keinen besonderen Einschränkungen. Es können beispielsweise Platin, Palladium und andere Edelmetalle als auch Nickeloxid, Cobaltoxid, Kupfer(I)-oxid, Lanthanmanganat, Lanthancobaltit, Lanthanchromit und andere Metalloxide als elektrisch leitfähige Substanz verwendet werden. Bariumhaltige Oxide, Zeolithen und dergleichen, die die Zielsubstanz selektiv adsorbieren, können ebenfalls als Reduktionsschicht verwendet werden. Vorzugsweise werden mindestens eine oder mehrere der oben erwähnten Substanzen als eine Mischung mit mindestens einer oder mehreren ionenleitenden Substanzen verwendet. Ionenleitende Substanzen, die verwendet werden können, beinhalten beispielsweise mit Yttriumoxid oder Scandiumoxid stabilisiertes Zirconiumoxid und Cer(IV)-oxid, Lanthangallat oder dergleichen, die mit Gadoliniumoxid oder Samarium(III)-oxid stabilisiert wurden. Es ist außerdem wünschenswert, dass die Reduktionsschicht aus einer Schichtstruktur aus mindestens zwei oder mehr Phasen der oben erwähnten Substanzen bestehen. Besonders bevorzugt besteht die Reduktionsschicht aus einer Schichtstruktur aus zwei Phasen, einer elektrisch leitfähigen Phase, die aus einem Edelmetall wie Platin oder dergleichen besteht, und einer Mischphase aus Nickeloxid oder mit Yttriumoxid oder Scandiumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid.The electrically conductive Substance and the ion-conducting substance serving as a reduction layer are not subject to any special restrictions. It can For example, platinum, palladium and other precious metals as well Nickel oxide, cobalt oxide, copper (I) oxide, lanthanum manganate, lanthanum cobaltite, Lanthanum chromite and other metal oxides as electrically conductive substance be used. Barium-containing oxides, zeolites and the like, which selectively adsorb the target substance can also serve as a reduction layer be used. Preferably, at least one or more of mentioned above Substances as a mixture with at least one or more used ion-conducting substances. Ion-conducting substances that can be used include, for example, stabilized with yttria or scandia Zirconium oxide and cerium (IV) oxide, lanthanum gallate or the like, stabilized with gadolinium oxide or samarium (III) oxide. It is also desirable that the reduction layer consists of a layer structure of at least two or more phases of the above-mentioned substances exist. Especially preferred the reduction layer consists of a layer structure of two Phases, an electrically conductive Phase, which consists of a precious metal like platinum or the like, and a mixed phase of nickel oxide or with yttria or scandium oxide stabilized zirconium oxide.

Die Ionenleitungsphase besteht aus einem Festelektrolyten mit Ionenleitfähigkeit und vorzugsweise aus einem Festelektrolyten mit Sauerstoffionenleitfähigkeit. Beispiele von Festelektrolyten mit Sauerstoffionenleitfähigkeit beinhalten mit Yttriumoxid oder Scandiumoxid stabilisiertes Zirconiumoxid und Cer(IV)-oxid oder mit Gadoliniumoxid oder Samarium(III)-oxid stabilisiertes Lanthangallat; hierbei handelt es sich jedoch nicht um Einschränkungen. Es ist bevorzugt, mit Yttriumoxid oder Scandiumoxid stabilisiertes Zirconiumoxid zu verwenden, das eine hervorragende Langzeitstabilität, hohe Leitfähigkeit und Stärke aufweist.The ion conducting phase consists of a solid electrolyte with ion conductivity, and preferably a solid electrolyte with oxygen ion conductivity. Examples of solid electrolytes having oxygen ion conductivity include yttria or scandia stabilized zirconia and cerium (IV) oxide or gadolinia or Sa. marium (III) oxide stabilized lanthanum gallate; however, these are not limitations. It is preferred to use yttria or scandia stabilized zirconia which has excellent long term stability, high conductivity and strength.

Die oxidierende Phase enthält eine leitfähige Substanz, um zu bewirken, dass von Ionen aus der Ionenleitungsphase Elektronen freigegeben werden. Zum Zwecke des Förderns der Übermittlung von Elektronen und Ionen ist es wünschenswert, dass die oxidierende Phase aus einer leitfähigen Mischsubstanz, die die Merkmale von sowohl Elektronenleitfähigkeit als auch Ionenleitfähigkeit aufweist, oder aus einer Mischung aus einer elektronenleitenden Substanz und einer ionenleitenden Substanz besteht. Die elektrisch leitfähige Substanz und die ionenleitende Substanz, die als oxidierende Phase verwendet werden, unterliegen keinen besonderen Einschränkungen. Es können beispielsweise Platin, Palladium und andere Edelmetalle als auch Nickeloxid, Cobaltoxid, Kupfer(I)-oxid, Lanthanmanganat, Lanthancobaltit, Lanthanchromit und andere Metalloxide als elektrisch leitfähige Substanz verwendet werden. Als ionenleitende Substanz können beispielsweise mit Yttriumoxid oder Scandiumoxid stabilisiertes Zirconiumoxid oder Cer(IV)-oxid oder mit Gadoliniumoxid oder Samarium(III)-oxid stabilisiertes Lanthangallat verwendet werden.The contains oxidizing phase a conductive substance, to cause ions from the ion conducting phase to be electrons be released. For the purpose of promoting the transmission of electrons and ions it is desirable the oxidizing phase consists of a mixed conductive substance containing the Features of both electron conductivity and ionic conductivity or from a mixture of an electron-conducting Substance and an ion-conducting substance. The electric conductive Substance and the ion-conducting substance acting as the oxidizing phase are not subject to any special restrictions. It can For example, platinum, palladium and other precious metals as well Nickel oxide, cobalt oxide, copper (I) oxide, lanthanum manganate, lanthanum cobaltite, Lanthanum chromite and other metal oxides as electrically conductive substance be used. As ion-conducting substance, for example, with yttrium oxide or scandium oxide stabilized zirconia or cerium (IV) oxide or gadolinia or samarium (III) oxide stabilized lanthanum gallate be used.

Um eine zum Produzieren von Sauerstoffionen erforderliche Zufuhr von Elektronen, wenn Sauerstoffmoleküle oberflächenadsorbiert worden sind, zu vermeiden, weist die Sperrschicht ein solches Material und eine solche Struktur auf, die verhindern, dass Elektronen vom chemischen Reaktionsteil zugeführt werden und insbesondere dass die Reduktionsphase zur Oberfläche gelangt. Bei dieser Sperrschicht handelt es sich vorzugsweise um einen Ionenleiter, elektrischen Mischleiter oder Isolator, und wenn es sich um einen elektrischen Mischleiter handelt, ist der Anteil an Elektronenleitfähigkeit vorzugsweise äußerst gering, da die Verhinderungswirkung auf die Elektronenleitung, wenn die Elektronenleitfähigkeit hoch ist, vermindert ist.Around a supply of oxygen ions necessary to produce Electrons, if oxygen molecules oberflächenadsorbiert have been avoided, the barrier layer comprises such a material and such a structure, which prevent electrons from fed chemical reaction part and in particular that the reduction phase reaches the surface. This barrier layer is preferably an ionic conductor, electric mixed conductor or insulator, and if it is a is electric mixed conductor, is the proportion of electron conductivity preferably extremely low, because the preventing effect on the electron conduction when the electron conductivity is high, is diminished.

Ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass Mikroreaktionsbereiche, an denen Oxidoreduktionen einer Zielsubstanz stattfinden, in einen Teil des chemischen Reaktionsteils eingeführt werden, indem in einer reduzierenden Atmosphäre oder unter vermindertem Druck an die Stellen des Kontakts zwischen der Ionenleitungsphase und der Elektronenleitungsphase, die sich aus einer Kombination von beliebigen eines Ionenleiters, eines Elektronenleiters und eines elektrischen Mischleiters zusammensetzt, Strom oder ein elektrisches Feld angelegt oder eine Wärmebehandlung angewendet wird. In der vorliegenden Erfindung beinhalten die Merkmale das Ausbilden der oben erwähnten Mikroreaktionsbereiche aus Grenzflächen, die aus Metallphasen der Elektronenleitungsphase, sauerstoffarmen Teilen der Ionenleitungsphase und Mikroräumen (Zwischenräumen), die die Kontakte dieser umgeben, an den Stellen des Kontakts zwischen der Elektronenleitungsphase und der Ionenleitungsphase, das Einführen der oben erwähnten Mikroreaktionsbereiche, an denen die oben erwähnten Oxidoreduktionen stattfinden, in die Katode, das Ausbilden einer Arbeitselektrodenschicht zum Regeln von Oxidoreduktionen im oberen Teil der Katode und das Einführen von Mikroreaktionsbereichen mit einer Größe von Nanometern bis zu einem Mikrometer, an denen die oben erwähnten Oxidoreduktionen stattfinden, in diese Schicht.One A feature of the present invention is that microreaction regions, where oxidoreductions of a target substance take place, into one Part of the chemical reaction part are introduced by in one reducing atmosphere or under reduced pressure to the points of contact between the ion conduction phase and the electron conduction phase, which is from a combination of any of an ionic conductor, an electron conductor, and composed of an electric mixed conductor, electricity or an electric Field created or a heat treatment is applied. In the present invention, the features include forming the above-mentioned Microreaction areas of interfaces made of metal phases the electron conduction phase, oxygen-poor parts of the ion conduction phase and micro rooms (Intervals), the the contacts of this surrounded, in places of contact between the electron conduction phase and the ion conduction phase, the introduction of the mentioned above Microreaction areas where the above-mentioned oxidoreductions take place into the cathode, forming a working electrode layer for Rules for Oxidoreduction in the Upper Part of the Cathode and Introduction of Microreaction areas ranging in size from nanometers to a micrometer, where the above mentioned Oxidoreductions take place in this layer.

Die im oberen Teil der Katode innerhalb des chemischen Reaktionsteils angeordnete Arbeitselektrode weist eine Struktur auf, die es ermöglicht, die Adsorption von Sauerstoffmolekülen und die Adsorption einer Zielsubstanz zusätzlich zur hoch effizienten Adsorption und zum Abbau einer Zielsubstanz, die zuvor entdeckt wurden (japanische Patentanmeldung 2001-225034), durch auf jede Reaktion ausgerichtete separate Substanzen gleichzeitig durchzuführen. Das heißt, dass, wie beispielsweise in 2 gezeigt ist, eine durch Reduktion von Oxiden hergestellte oder von Anfang an vorliegende (vorzugsweise in der Form ultrafeiner Teilchen (mit einem Durchmesser von ungefähr 10 nm bis 100 nm), um eine hohe Reaktivität zu erzielen) Metallphase mit einem sauerstoffarmen Teil einer benachbarten Ionenleitungsphase in Berührung kommt und Mikroräume mit einer Größe von einigen nm bis zu einigen zehn nm oder weniger um diese Stellen des Kontakts erzeugt werden, so dass Sauerstoffmoleküle im eingeführten Zielgas und der Zielsubstanz selbst jeweils selektiv adsorbiert und in den sauerstoffarmen Teil bzw. die Metallphase zerlegt werden und die Energieaufnahme erheblich vermindert wird. Wenn die Räume um die Kontaktstellen herum größer als einige zehn nm sind, werden sie größer als die durchschnittlichen freien Pfade der Gasmoleküle sein und die Trennungs- und Adsorptionswirkung wird allmählich abnehmen; oder wenn die um die Kontaktstellen ausgebildeten Bereiche größer als 100 nm sind, das heißt, wenn sie wesentlich größer als die Debye-Länge und die Diffusionslänge der Sauerstofffehlstelle sind, wird die selektive Trennungs- und Ausschlussleistung in Bezug auf das Zielgas vermindert sein.The working electrode disposed in the upper part of the cathode within the chemical reaction part has a structure which enables the adsorption of oxygen molecules and the adsorption of a target substance in addition to the highly efficient adsorption and degradation of a target substance previously discovered (Japanese Patent Application 2001-01-0312). 225034), by performing separate reactions on each reaction simultaneously. That means that, such as in 2 a metal oxide phase having an oxygen-depleted portion of an adjacent ion conduction phase, shown in FIG. 1, prepared by reduction of oxides or from the beginning (preferably in the form of ultrafine particles (having a diameter of about 10 nm to 100 nm) for high reactivity) Contact comes and microspaces of a size of several nm to tens of nm or less are generated around these points of contact so that oxygen molecules in the introduced target gas and the target substance itself are each selectively adsorbed and decomposed into the oxygen-poor part and the metal phase, respectively the energy intake is significantly reduced. If the spaces around the contact points are greater than tens of nm, they will be larger than the average free paths of the gas molecules and the separation and adsorption effect will gradually decrease; or if the areas formed around the pads are greater than 100 nm, that is, if they are significantly larger than the Debye length and the diffusion length of the oxygen vacancy, the selective separation and exclusion performance with respect to the target gas will be reduced.

Die Metallphase und der sauerstoffarme Teil bilden normalerweise aufgrund ihrer Produktionsmechanismen Kontakte; es ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, dass sie sich berühren, damit die oben erwähnte selektive Trennungsfunktion Anwendung findet. Das heißt, selbst wenn der sauerstoffarme Teil, der als Ergebnis der Bewegung von Sauerstoff in der Ionenleitungsphase aufgrund des Beitrags von Elektronen zur Metallphase (Oxidphase vor der Reaktion), wenn Strom angelegt wird, ausgebildet wird, aufgrund von Effekten wie der Wärmeschrumpfung nach dessen Ausbildung den Kontakt mit der Metallphase verliert, ist dies kein schwerwiegendes Hindernis der selektiven Trennungsfunktion des Zielgases, die ein Effekt der vorliegenden Erfindung ist.The metal phase and the oxygen-depleted part normally form contacts due to their production mechanisms; however, they are not necessarily required to be in contact for the above-mentioned selective separation function to apply. That is, even if the oxygen-poor part resulting from the movement of oxygen in the ion-conducting phase due to the contribution of electrons to the metal phase (oxide phase before Reacti on) when current is applied is lost due to effects such as heat shrinkage after its formation contact with the metal phase, this is not a serious obstacle to the selective separation function of the target gas, which is an effect of the present invention.

Eine derartige Struktur wird gebildet, indem das chemische Reaktionssystem in einer reduzierenden Atmosphäre oder unter vermindertem Druck Strom oder einer Wärmebehandlung zusätzlich zu den Wärmebehandlungsprozessen, die zum Bilden der zuvor entdeckten Struktur erforderlich sind (Wärmebehandlung in Atmosphäre bei 1400 bis 1450 °C in einem System mit Zirconiumoxid und Nickeloxid), unterworfen wird. Das heißt, eine notwendige Bedingung für die oben erwähnte Struktur ist die Ausbildung einer Reduktionsphase durch Anlegen von Strom bei einer hohen Temperatur von einigen 100 °C oder mehr oder Anwenden einer Wärmebehandlung unter vermindertem Druck oder in einer Wasserstoffatmosphäre oder anderen reduzierenden Atmosphäre unter Verwendung eines Oxids, das relativ einfach zu reduzieren ist.A Such structure is formed by the chemical reaction system in a reducing atmosphere or under reduced pressure, electricity or a heat treatment in addition to the Heat treatment processes, which are required to form the previously discovered structure (heat treatment in atmosphere at 1400 to 1450 ° C in a system with zirconium oxide and nickel oxide). This means, a necessary condition for the above mentioned Structure is the formation of a reduction phase by applying of electricity at a high temperature of some 100 ° C or more or applying a heat treatment under reduced pressure or in a hydrogen atmosphere or other reducing atmosphere using an oxide that is relatively easy to reduce is.

In diesem Schritt erfolgt die gleichzeitige Ausbildung von ultrafeinen Strukturen, die für effiziente Reaktionen wünschenswert sind, vorteilhafter, wenn Strom angelegt wird. Dies beinhaltet die Herstellung von Löchern, die für die Einführung des Zielgases geeignet sind, mit einer Größe von Nanometern bis zu einem Mikrometer infolge von Volumensänderungen in der Kristallphase aus der Oxidationsreaktion, die Ausbildung von ultrafeinen Teilchen infolge der Rekristallisation der Reduktionsschicht, die Ausbildung von sauerstoffarmen Teilen in der Ionenleitungsphase über die gesamte Oxidoreduktion hinweg und dergleichen.In This step involves the simultaneous formation of ultrafines Structures for efficient reactions desirable are more advantageous when power is applied. This includes the Making holes, the for the introduction of the target gas, ranging in size from nanometers to one Micrometer due to volume changes in the crystal phase from the oxidation reaction, the formation of ultrafine particles due to the recrystallization of the reduction layer, the formation of oxygen-poor parts in the ionic conduction phase over the entire oxidoreduction and the like.

Bei den Substanzen, die eine derartige Struktur ausmachen, kann es sich um eine Kombination einer Ionenleitungsphase und einer Elektronenleitungsphase, einer Mischung von leitfähigen Phasen oder einer Kombination davon mit einer Ionenleitungsphase oder Elektronenleitungsphase handeln. Wenn es sich bei der Zielsubstanz um Stickstoffoxide handelt, ist eine Nickel- oder andere Metallphase als Reduktionsphase wünschenswert, da sie eine hoch selektive Adsorption aufzeigt.at The substances that make up such a structure may be a combination of an ion conduction phase and an electron conduction phase, a mixture of conductive Phases or a combination thereof with an ion conduction phase or electron conduction phase. If it is the target substance is nitrogen oxides, is a nickel or other metal phase desirable as a reduction phase, since it shows a highly selective adsorption.

In der vorliegenden Erfindung weisen Substanzen, die alles oder einen Teil der oben erwähnten Mikroreaktionsbereiche ausmachen, oxidierende und reduzierende Wirkungen auf die Zielsubstanz auf. Die oben erwähnte Metallphase besteht beispielsweise aus ultrafeinen Teilchen einer Metallphase, die mittels einer Oxidoreduktion hergestellt wird, die über einem Teil oder dem Gesamten eines Elektronenleiters oder elektrischen Mischleiters erzeugt wird, wenn das oben erwähnte chemische Reaktionssystem in einer reduzierenden Atmosphäre Strom oder einer Wärmebehandlung unterworfen wird. Darüber hinaus besteht der oben erwähnte sauerstoffarme Teil aus einer sauerstoffarmen Schicht, die mittels einer Oxidoreduktion hergestellt wird, die in einem Teil oder dem Gesamten eines Ionenleiters oder elektrischen Mischleiters erzeugt wird, wenn das oben erwähnte chemische Reaktionssystem in einer reduzierenden Atmosphäre Strom oder einer Wärmebehandlung unterworfen wird. Die oben erwähnten Mikroreaktionsbereiche weisen eine Struktur auf, in der der Ionenleiter und der Elektronenleiter einander mindestens an einer Stelle direkt berühren oder einander während des Fertigungsprozesses berühren.In In the present invention, substances that contain all or one Part of the above-mentioned microreaction areas make up, oxidizing and reducing effects on the target substance on. The above mentioned Metal phase consists for example of ultrafine particles of a Metal phase, which is produced by means of an oxidoreduction, the over one Part or the whole of an electron conductor or electrical Mixed conductor is generated when the above-mentioned chemical reaction system in a reducing atmosphere Electricity or a heat treatment is subjected. Furthermore consists of the above mentioned low-oxygen part of an oxygen-poor layer, which means an oxidoreduction produced in a part or the Entire of an ion conductor or electrical mixed conductor produced if the above mentioned chemical reaction system in a reducing atmosphere electricity or a heat treatment is subjected. The above mentioned Microreaction regions have a structure in which the ionic conductor and the electron conductor directly at least at one point touch or each other while of the manufacturing process.

Das chemische Reaktionssystem der vorliegenden Erfindung kann hergestellt werden, indem die Kontaktstellen im oben erwähnten chemischen Reaktionsteil der Ionenleitungsphase und der Elektronenleitungsphase, die sich aus einer Kombination eines beliebigen eines Ionenleiters, eines Elektronenleiters und eines elektrischen Mischleiters zusammensetzen, in einer reduzierenden Atmosphäre oder unter vermindertem Druck Strom oder einer Wärmebehandlung unterworfen werden, um so Mikroreaktionsbereiche in den oben erwähnten chemischen Reaktionsteil einzuführen, in denen Oxidoreduktionen der Zielsubstanz stattfinden. Es ist beim Konstruieren der Grenzflächen der oben erwähnten Substanzen wünschenswert, dass sich eine oder beide in einem reduzierten Zustand befinden.The Chemical reaction system of the present invention can be prepared be by the contact points in the above-mentioned chemical reaction part the ion conduction phase and the electron conduction phase, which is from a combination of any of an ionic conductor, a Electron conductor and a mixed electrical conductor, in a reducing atmosphere or subjected to electricity or heat treatment under reduced pressure, so micro reaction areas in the above-mentioned chemical reaction part introduce, in which oxidoreductions of the target substance take place. It is in constructing the interfaces the above-mentioned substances desirable, that one or both are in a reduced state.

Es ist in der vorliegenden Erfindung wünschenswert, dass es sich bei der oben erwähnten chemischen Reaktion um eine Umwandlungsreaktion von Materie oder Energie, der oben erwähnten Zielsubstanz um Stickstoffoxide und der oben erwähnten chemischen Reaktion um den Reduktionsabbau von Stickstoffoxiden handelt und die oben erwähnte chemische Reaktion durch die allgemeine Formel: Mox + xe → M + x/2O2– M → xe + Mx+ (wobei M ein Metall, O ein Sauerstoffatom und e ein Elektron ist) dargestellt ist.It is desirable in the present invention that the above-mentioned chemical reaction is a conversion reaction of matter or energy, the above-mentioned target substance is nitrogen oxides, and the above-mentioned chemical reaction is reduction reduction of nitrogen oxides and the above-mentioned chemical reaction the general formula: Mox + xe → M + x / 2O 2 → M → xe + M x + (wherein M is a metal, O is an oxygen atom and e is an electron).

Als Nächstes wird die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlicher erläutert.When next becomes the second embodiment of the present invention in more detail explained.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein chemisches Reaktionssystem zum Durchführen einer chemischen Reaktion einer Zielsubstanz, wobei sich dieses chemische Reaktionssystem aus einem chemischen Reaktionsteil, in dem die oben erwähnte chemische Reaktion der oben erwähnten Zielsubstanz abläuft, und vorzugsweise einer Sperrschicht zum Behindern der Ionisierung von Sauerstoff zusammensetzt.The present invention relates to a chemical reaction system for carrying out a chemical reaction of a target substance, said chemical reaction system composed of a chemical reaction part in which the above-mentioned chemical reaction of the above-mentioned target substance proceeds, and preferably a barrier layer for inhibiting the ionization of oxygen mensetzt.

Der chemische Reaktionsteil zum Durchführen chemischer Reaktionen einer Zielsubstanz weist idealerweise eine Reduktionsphase, die in der Zielsubstanz enthaltenen Elementen Elektronen zuführt, um Ionen zu erzeugen, eine Ionenleitungsphase, die Ionen aus der Reduktionsphase leitet, und eine Oxidationsphase, die Elektronen von Ionen, die von der Ionenleitungsphase geleitet wurden, freigibt, auf; von diesen abgesehen ist es jedoch möglich, nach Bedarf oxidierende und/oder reduzierende Katalysatoren als Basiseinheiten zu verwenden, die den obigen Phasen äquivalente Merkmale aufweisen, nämlich Oxidationskatalysatoren, Reduktionskatalysatoren oder Oxidoreduktionskatalysatoren. In diesem Fall unterliegen diese Bestandselemente keinen besonderen Einschränkungen.Of the chemical reaction part for performing chemical reactions a target substance ideally has a reduction phase, the supplying electrons to the elements contained in the target substance To generate ions, an ion conduction phase, the ions from the reduction phase conducts, and an oxidation phase, the electrons of ions, the from the ionic conduction phase releases; of these however, it is possible if necessary, oxidizing and / or reducing catalysts as base units to use those having equivalent characteristics to the above phases, namely Oxidation catalysts, reduction catalysts or Oxidoreduktionskatalysatoren. In this case, these components are not subject to any particular restrictions.

In der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der Zielsubstanz vorzugsweise um Stickstoffoxide in Abgas, und die Stickstoffoxide werden in der Reduktionsphase reduziert, wodurch Sauerstoffionen produziert werden, die in der Ionenleitungsphase geleitet werden. Die Zielsubstanz in der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf Stickstoffoxide beschränkt. Der chemische Reaktor der vorliegenden Erfindung kann zur Produktion von Kohlenmonoxid durch Reduzieren von Kohlendioxid, zur Produktion eines Mischgases aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid aus Methan oder zur Produktion von Wasserstoff aus Wasser angewendet werden.In The present invention is the target substance preferably nitrogen oxides in exhaust gas, and the nitrogen oxides are reduced in the reduction phase, causing oxygen ions produced, which are conducted in the ionic conduction phase. However, the target substance in the present invention is not limited to nitrogen oxides. The chemical reactor of the present invention may be used for production of carbon monoxide by reducing carbon dioxide, to produce a Mixed gases of hydrogen and carbon monoxide from methane or to Production of hydrogen from water can be applied.

Das chemische Reaktionssystem kann in der Form beispielsweise eines Rohrs, einer Platte oder einer Wabe vorliegen; vorzugsweise weist es jedoch insbesondere ein oder mehrere Durchgangslöcher mit einem Paar von Öffnungen (wie in einem Rohr oder einer Wabe) auf, wobei sich in jedem Durchgangsloch chemische Reaktionsstellen befinden.The chemical reaction system may be in the form of, for example, a Pipe, a plate or a honeycomb; preferably has However, it in particular one or more through holes with a pair of openings (as in a pipe or honeycomb), wherein in each through hole chemical reaction sites are located.

Beim oben erwähnten chemischen Reaktionsteil ist die Reduktionsphase porös und sollte die Substanz, bei der es sich um das Ziel der Reaktion handelt, selektiv adsorbieren. Da bei der Reduktion in der Zielsubstanz enthaltenen Elementen Elektronen zugeführt werden, um Ionen zu erzeugen, die zur Ionenleitungsphase übermittelt werden, besteht sie vorzugsweise aus einer elektrisch leitfähigen Substanz. Zum Zwecke des Förderns der Übermittlung von Elektronen und Ionen ist es wünschenswert, dass die Reduktionsphase aus einer leitfähigen Mischsubstanz besteht, die die Merkmale von sowohl Elektronenleitung als auch Ionenleitung aufweist, oder dass sie aus einer Mischung aus einer elektronenleitenden Substanz und einer ionenleitenden Substanz besteht. Die Reduktionsphase kann eine Schichtstruktur aus mindestens zwei oder mehr Phasen dieser Substanzen aufweisen.At the mentioned above chemical reaction part, the reduction phase is porous and should the substance that is the target of the reaction, selectively adsorb. As contained in the reduction in the target substance Elements supplied with electrons be used to generate ions that transmit to the ion conduction phase be, it preferably consists of an electrically conductive substance. For the purpose of promoting the transmission of For electrons and ions, it is desirable that the reduction phase consists of a conductive mixed substance, the features of both electron conduction and ion conduction or that they consist of a mixture of an electron-conducting Substance and an ion-conducting substance. The reduction phase may be a layered structure of at least two or more phases of these Have substances.

Die elektrisch leitfähige Substanz und die ionenleitende Substanz, die als Reduktionsschicht verwendet werden, unterliegen keinen besonderen Einschränkungen. Es können beispielsweise Platin, Palladium und andere Edelmetalle und Nickeloxid, Cobaltoxid, Kupfer(I)-oxid, Lanthanmanganat, Lanthancobaltit, Lanthanchromit und andere Metalloxide als elektrisch leitfähige Substanz verwendet werden. Bariumhaltige Oxide, Zeolithen und dergleichen, die die Zielsubstanz selektiv adsorbieren, können ebenfalls als Reduktionsschicht verwendet werden. Vorzugsweise werden mindestens eine oder mehrere der oben erwähnten Substanzen als eine Mischung mit mindestens einer oder mehreren ionenleitenden Substanzen verwendet. Ionenleitende Substanzen, die verwendet werden können, beinhalten beispielsweise mit Yttriumoxid oder Scandiumoxid stabilisiertes Zirconiumoxid und Cer(IV)-oxid, Lanthangallat oder dergleichen, die mit Gadoliniumoxid oder Samarium(III)-oxid stabilisiert wurden. Es ist außerdem wünschenswert, dass die Reduktionsschicht aus einer Schichtstruktur aus mindestens zwei oder mehr Phasen der oben erwähnten Substanzen bestehen. Besonders bevorzugt besteht die Reduktionsschicht aus einer Schichtstruktur aus zwei Phasen, einer elektrisch leitfähigen Phase, die aus einem Edelmetall wie Platin oder dergleichen besteht, und einer Mischphase aus Nickeloxid oder mit Yttriumoxid oder Scandiumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid.The electrically conductive Substance and the ion-conducting substance serving as a reduction layer are not subject to any special restrictions. It can for example, platinum, palladium and other noble metals and nickel oxide, Cobalt oxide, cuprous oxide, lanthanum manganate, lanthanum cobaltite, lanthanum chromite and other metal oxides are used as the electroconductive substance. Barium-containing oxides, zeolites and the like, which are the target substance selectively adsorb also be used as a reduction layer. Preferably at least one or more of the above-mentioned substances as a mixture used with at least one or more ion-conducting substances. Ion conducting substances that may be used include, for example yttria or scandia stabilized zirconia and Cerium (IV) oxide, lanthanum gallate or the like with gadolinium oxide or samarium (III) oxide were stabilized. It is also desirable that the reduction layer consists of a layer structure of at least two or more phases of the above-mentioned substances exist. Especially The reduction layer preferably consists of a layer structure from two phases, an electrically conductive phase consisting of a Precious metal such as platinum or the like, and a mixed phase of nickel oxide or stabilized with yttria or scandium oxide Zirconia.

Die Ionenleitungsphase besteht aus einem Festelektrolyten mit Ionenleitfähigkeit und vorzugsweise aus einem Festelektrolyten mit Sauerstoffionenleitfähigkeit. Beispiele von Festelektrolyten mit Sauerstoffionenleitfähigkeit beinhalten mit Yttriumoxid oder Scandiumoxid stabilisiertes Zirconiumoxid und Cer(IV)-oxid oder mit Gadoliniumoxid oder Samarium(III)-oxid stabilisiertes Lanthangallat; hierbei handelt es sich jedoch nicht um Einschränkungen. Es ist bevorzugt, mit Yttriumoxid oder Scandiumoxid stabilisiertes Zirconiumoxid zu verwenden, das eine hervorragende Langzeitstabilität aufweist und äußerst leitfähig und stark ist.The Ion conducting phase consists of a solid electrolyte with ionic conductivity and preferably a solid electrolyte having oxygen ion conductivity. Examples of solid electrons with oxygen ion conductivity include yttria or scandia stabilized zirconia and Cerium (IV) oxide or gadolinium oxide or samarium (III) oxide stabilized lanthanum; however, these are not limitations. It is preferred to stabilize with yttria or scandia To use zirconium oxide, which has excellent long-term stability and extremely conductive and strong.

Die Oxidationsphase enthält eine leitfähige Substanz, um zu bewirken, dass von Ionen aus der Ionenleitungsphase Elektronen freigegeben werden. Zum Zwecke des Förderns der Übermittlung von Elektronen und Ionen ist es wünschenswert, dass die Oxidationsphase aus einer leitfähigen Mischsubstanz, die die Merkmale von sowohl Elektronenleitfähigkeit als auch Ionenleitfähigkeit aufweist, oder aus einer Mischung aus einer elektronenleitenden Substanz und einer ionenleitenden Substanz besteht. Die elektrisch leitfähige Substanz und die ionenleitende Substanz, die als oxidierende Schicht verwendet werden, unterliegen keinen besonderen Einschränkungen. Es können beispielsweise Platin, Palladium und andere Edelmetalle und Nickeloxid, Cobaltoxid, Kupfer(I)-oxid, Lanthanmanganat, Lanthancobaltit, Lanthanchromit und andere Metalloxide als elektrisch leitfähige Substanz verwendet werden. Als ionenleitende Substanz können beispielsweise mit Yttriumoxid oder Scandiumoxid stabilisiertes Zirconiumoxid oder Cer(IV)-oxid oder mit Gadoliniumoxid oder Samarium(III)-oxid stabilisiertes Lanthangallat verwendet werden.The oxidation phase contains a conductive substance to cause electrons to be released from ions in the ion conduction phase. For the purpose of promoting the transfer of electrons and ions, it is desirable that the oxidation phase be composed of a conductive compound having the characteristics of both electronic conductivity and ionic conductivity, or a mixture of an electron-conductive substance and an ion-conductive substance. The electroconductive substance and the ion-conductive substance used as the oxidizing layer are not particularly limited. For example, platinum, palladium and other noble metals and nickel oxide, cobalt oxide, cuprous oxide, lanthanum manganate, lanthanum cobaltite, lanthanum chromite and other metal oxides are used as the electrically conductive substance. As the ion-conductive substance, zirconia stabilized with yttria or scandia or cerium (IV) oxide or lanthanum gallate stabilized with gadolinia or samarium (III) oxide can be used, for example.

Der Zweck der Sperrschicht besteht darin, die zum Produzieren von Sauerstoffionen erforderliche Zufuhr von Elektro nen, wenn Sauerstoffmoleküle oberflächenadsorbiert worden sind, zu vermeiden. Alternativ wird sie zum Zwecke der Reoxidation von Metallen (wie beispielsweise dem Metall Nickel), das durch Reduktionsreaktionen von elektrisch leitfähigen Oxiden (wie beispielsweise Nickeloxid) durch Sauerstoffionen im chemischen Reaktionsteil hergestellt wurde, bereitgestellt und weist ein solches Material und eine solche Struktur auf, die blockieren, dass Elektronen vom chemischen Reaktionsteil zugeführt werden und insbesondere dass die Reduktionsschicht zur Oberfläche gelangt. Bei dieser Sperrschicht handelt es sich vorzugsweise um einen Ionenleiter, elektrischen Mischleiter oder Isolator, und wenn es sich um einen elektrischen Mischleiter handelt, ist der Anteil an Elektronenleitfähigkeit vorzugsweise äußerst gering, da die Unterdrückungswirkung auf die Elektronenleitung, wenn die Elektronenleitfähigkeit hoch ist, vermindert ist.Of the The purpose of the barrier layer is to produce oxygen ions required supply of electrons when oxygen molecules surface adsorbed have been avoided. Alternatively, it is used for the purpose of reoxidation of metals (such as the metal nickel) by reduction reactions of electrically conductive Oxides (such as nickel oxide) by oxygen ions in chemical reaction part has been prepared, provided and has such a material and such a structure that block that Electrons are supplied from the chemical reaction part and in particular that the reduction layer reaches the surface. In this barrier layer it is preferably an ionic conductor, electrical Mixed conductor or insulator, and if it is an electrical Mixed conductor is, is the proportion of electronic conductivity preferably extremely low, there the suppression effect on the electron conduction decreases when the electron conductivity is high is.

Bei einem chemischen Reaktionssystem, in dem sich der chemische Reaktionsteil aus einem Sauerstoffionenleiter (Ionenleitungsphase), einem Paar aus einer Katode (Reduktionsphase) und einer Anode (Oxidationsphase), wobei sich die Ionenleitungsphase zwischen diesen befindet, oder einem Oxidations- und/oder Reduktionskatalysator als Basiseinheiten zusammensetzt, zum Durchführen chemischer Reaktionen einer Zielsubstanz ist es ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass die Fähigkeit zum Ionisieren und Entfernen von Sauerstoff, der die Reaktionen behindert, wenn er durch den chemischen Reaktionsteil adsorbiert wird, in einer reduzierenden Atmosphäre oder unter vermindertem Druck entweder durch Anlegen von Strom oder eines elektrischen Felds zwischen der Katode und der Anode des oben erwähnten chemischen Reaktionsteils oder durch Anwenden einer Wärmebehandlung aktiviert wird. In der vorliegenden Erfindung beinhalten günstige Beispiele das Verwenden eines chemischen Reaktionsteils, in dem Mikroreaktionsbereiche, an denen Oxidoreduktionen der Zielsubstanz stattfinden, in einen Teil des chemischen Reaktionsteils eingeführt werden, indem in einer reduzierenden Atmosphäre oder unter vermindertem Druck die Kontaktstellen zwischen einer Ionenleitungsphase und einer Elektronenleitungsphase, die sich aus einer Kombination eines beliebigen eines Ionenleiters, eines Elektronenleiters oder eines elektrischen Mischleiters zusammensetzt, Strom oder einem elektrischen Feld oder einer Wärmebehandlung unterworfen werden, als der chemische Reaktionsteil oder das Verwenden eines chemischen Reaktionsteils, der eine Reduktionsphase, die sowohl für Sauerstoff und die Zielsubstanz individuelle Selektivität aufweist, und Poren mit einer Größe von einem Mikrometer oder weniger zum effizienten Zuführen und Verarbeiten der Zielsubstanz in der Reduktionsphase aufweist, als der chemische Reaktionsteil oder das Verwenden eines chemischen Reaktionsteils, in dem Grenzflächen, die aus Metallphasenteilen der Elektronenleitungsphase, sauerstoffarmen Teilen der Ionenleitungsphase und Mikroräumen (Zwischenräumen), die die Kontaktstellen dieser umgeben, bestehen, an den Kontaktstellen zwischen der Elektronenleitungsphase und der Ionenleitungsphase als die oben erwähnten Mikroreaktionsbereiche ausgebildet werden; oder das Verwenden eines chemischen Reaktionsteils, in dem Mikroreaktionsbereiche, in denen die oben erwähnten Oxidoreduktionen stattfinden, in die Katode als dem oben erwähnten chemischen Reaktionsteil eingeführt werden, als der chemische Reaktionsteil und auch das Verwenden eines chemischen Reaktionsteils, der eine Arbeitselektrodenschicht zum Durchführen von Oxidoreduktionen im oberen Teil der Katode, wobei Mikrobereiche mit einer Größe von Nanometern bis zu einem Mikrometer, in denen die oben erwähnte Oxidoreduktion stattfindet, in diese Schicht eingeführt werden, als der chemische Reaktionsteil.at a chemical reaction system in which the chemical reaction part from an oxygen ion conductor (ion conduction phase), a pair from a cathode (reduction phase) and an anode (oxidation phase), with the ionic conduction phase between them, or an oxidation and / or reduction catalyst as base units composed to perform chemical reactions of a target substance, it is a feature of present invention that the ability to ionize and Removing oxygen that hinders the reactions when he is adsorbed by the chemical reaction part, in a reducing one the atmosphere or under reduced pressure either by applying current or an electric field between the cathode and the anode of the above mentioned chemical reaction part or by applying a heat treatment is activated. In the present invention, favorable examples include using a chemical reaction part in which microreaction areas, where oxidoreductions of the target substance take place, into one Part of the chemical reaction part are introduced by in one reducing atmosphere or under reduced pressure, the contact points between a Ion conduction phase and an electron conduction phase resulting from a combination of any of an ionic conductor, an electron conductor or a mixed electrical conductor, electricity or a electric field or a heat treatment be subjected as the chemical reaction part or using a chemical reaction part that has a reduction phase, both for oxygen and the target substance has individual selectivity, and pores with one Size of one Microns or less for efficient delivery and processing of the target substance in the reduction phase, as the chemical reaction part or using a chemical reaction part in which interfaces that from metal phase parts of the electron conduction phase, oxygen poor Parting the ion conduction phase and microspaces (spaces), the the contact points of these surround, exist at the contact points between the electron conduction phase and the ion conduction phase than the ones mentioned above Microreaction areas are formed; or using one chemical reaction part, in which microreaction areas in which the ones mentioned above Oxidoreductions take place in the cathode than the chemical mentioned above Reaction part introduced be as the chemical reaction part and also using a chemical reaction part forming a working electrode layer for Carry out of oxidoreductions in the upper part of the cathode, with micro-regions with a size of nanometers up to one micrometer, in which the above-mentioned oxidoreduction takes place, introduced into this layer be, as the chemical reaction part.

Die im oberen Teil der Katode innerhalb des chemischen Reaktionsteils angeordnete Arbeitselektrode weist eine Struktur auf, die es ermöglicht, die Adsorption von Sauerstoffmolekülen und die Adsorption einer Zielsubstanz zusätzlich zur hoch effizienten Adsorption und zum Abbau einer Zielsubstanz, die zuvor entdeckt wurden (japanische Patentanmeldung 2001-225034), durch auf jede Reaktion ausgerichtete separate Substanzen gleichzeitig durchzuführen. Das heißt, dass eine durch Reduktion von Oxiden hergestellte oder von Anfang an vorliegende (vorzugsweise in der Form ultrafeiner Teilchen (mit einem Durchmesser von 10 nm bis 100 nm), um eine hohe Reaktivität zu erzielen) Metallphase mit einem sauerstoffarmen Teil (einem Bereich von etwa 5 nm, wie durch Berechnung aus der Debye-Länge abgeschätzt wird) einer benachbarten Ionenleitungsphase in Berührung gelangt und Mikroräume mit einer Größe von einigen nm bis zu einigen zehn nm oder weniger um diese Stellen des Kontakts erzeugt werden, so dass Sauerstoffmoleküle im eingeführten Zielgas und der Zielsubstanz selbst jeweils selektiv adsorbiert und in den sauerstoffarmen Teil bzw. die Metallphase zerlegt werden, wobei die Aufnahme elektrischer Energie erheblich vermindert wird.The in the upper part of the cathode within the chemical reaction part arranged working electrode has a structure which makes it possible the adsorption of oxygen molecules and the adsorption of a Target substance in addition for highly efficient adsorption and degradation of a target substance, which have been previously discovered (Japanese Patent Application 2001-225034), by separate substances directed to each reaction simultaneously perform. This means, that one made by reduction of oxides or from the beginning present (preferably in the form of ultrafine particles (with a Diameter from 10 nm to 100 nm) to achieve high reactivity) Metal phase with an oxygen-poor part (a range of about 5 nm, as estimated by calculation from the Debye length) of an adjacent one Ion conducting phase in contact passes and microspaces with a size of a few nm to tens of nm or less around these locations of the contact be generated so that oxygen molecules in the introduced target gas and the target substance itself adsorbed selectively and in the oxygen-poor Part or the metal phase are decomposed, the recording of electrical Energy is significantly reduced.

Eine derartige Struktur wird gebildet, indem das chemische Reaktionssystem in einer reduzierenden Atmosphäre oder dergleichen Strom oder einer Wärmebehandlung zusätzlich zu den Wärmebehandlungsprozessen, die zum Bilden der zuvor entdeckten Struktur erforderlich sind (Wärmebehandlung in Atmosphäre bei 1400 bis 1450 °C in einem System mit Zirconiumoxid und Nickeloxid), unterworfen wird. Das heißt, es wird durch Anlegen von Strom unter hohen Temperaturen von mehreren 100 °C oder mehr unter Verwendung eines Oxids, das relativ einfach zu reduzieren ist, eine Reduktionsphase ausgebildet. In diesem Schritt werden ultrafeine Strukturen ausgebildet, die für effiziente Reaktionen wünschenswert sind, einschließlich der Herstellung von Poren mit einer Größe von Nanometern bis zu einem Mikrometer, die für die Einführung des Zielgases geeignet sind, infolge von Volumensänderungen in der Kristallphase aus der Oxidationsreduktion, der Ausbildung von ultrafeinen Teilchen durch Rekristallisation der Reduktionsphase und der Ausbildung von sauerstoffarmen Teilen in der Ionenleitungsphase über die gesamte Oxidoreduktion hinweg. Ein Beispiel einer lokalen Struktur, die durch die oben erwähnten Verfahren ausgebildet wurde und für die Innenstruktur der Arbeitselektrodenschicht wünschenswert ist, ist in 4 gezeigt.Such a structure is formed by passing the chemical reaction system in a reducing atmosphere or the like, or a stream Heat treatment in addition to the heat treatment processes required to form the previously discovered structure (heat treatment in the atmosphere at 1400 to 1450 ° C in a system with zirconium oxide and nickel oxide) is subjected. That is, a reduction phase is formed by applying current at high temperatures of several hundred degrees C or more using an oxide which is relatively easy to reduce. In this step, ultrafine structures are desired which are desirable for efficient reactions, including the production of nanometer to micron sized pores suitable for the introduction of the target gas, due to volume changes in the crystal phase from the oxidation reduction, Formation of ultrafine particles by recrystallization of the reduction phase and the formation of oxygen-poor parts in the ion-conducting phase over the entire oxidoreduction. An example of a local structure formed by the above-mentioned methods and desirable for the internal structure of the working electrode layer is shown in FIG 4 shown.

Bei Substanzen, die eine derartige Struktur ausmachen, handelt es sich um eine Kombination einer Ionenleitungsphase und einer Elektronenleitungsphase, einer Mischung von leitfähigen Phasen oder einer Kombination davon mit einer Ionenleitungsphase oder Elektronenleitungsphase. Wenn es sich bei der Zielsubstanz um Stickstoffoxide handelt, ist eine Nickel- oder andere Metallphase als Reduktionsphase wünschenswert, da sie eine hoch selektive Adsorption aufzeigt.at Substances that make up such a structure are a combination of an ion conduction phase and an electron conduction phase, a mixture of conductive Phases or a combination thereof with an ion conduction phase or electron conduction phase. If it is the target substance is nitrogen oxides, is a nickel or other metal phase desirable as a reduction phase, since it shows a highly selective adsorption.

Zusätzlich zum Verfahren des Einführens eines Reduktors, das zuvor als Stand der Technik beschrieben wurde, handelt es sich bei einem Verfahren, das zum Reaktivieren eines chemischen Reaktionssystems vorgeschlagen worden ist, um eines, in dem Kohlenstoff oder dergleichen bereits im chemischen Reaktionssystem eine ganzheitliche Struktur bildet und der Kohlenstoff während der chemischen Reaktion zum Reduzieren der oxidierten Metallphase oxidiert (K. Miura et al., Chemical Engineering Science 56, 1623 (2001)). In diesen Verfahren sind jedoch Reduktoren erforderlich, und da eine Reaktivierung unmöglich wird, wenn der Reduktor aufgebraucht ist, ist ein elektrisches Reaktionsverfahren für den Langzeit- oder kontinuierlichen Einsatz des Systems erstrebenswerter.In addition to Method of introduction a reductor previously described as prior art, it is a process that is used to reactivate a chemical reaction system has been proposed to one, in the carbon or the like already in the chemical reaction system forms a holistic structure and the carbon during the chemical reaction to reduce the oxidized metal phase oxidized (Miura, K., et al., Chemical Engineering Science 56, 1623 (2001)). In these methods, however, reductors are required, and there a reactivation impossible when the reductor is used up, an electrical reaction procedure for the long-term or continuous use of the system more desirable.

In der vorliegenden Erfindung ist es nur dann möglich, Strom oder dergleichen anzulegen, wenn die Leistung des chemischen Reaktionssystems abgenommen hat, um Sauerstoff, der von dem sauerstoffarmen Teil des chemischen Reaktionsteils adsorbiert wurde, zu ionisieren und durch Pumpen zu entfernen. Darüber hinaus ist es möglich, gleichzeitig die Reduktionsphase erneut zu erregen. Auf diese Weise kann die Strommenge in der vorliegenden Erfindung wesentlich geringer sein als die für das Pumpen von Sauerstoff in herkömmlichen galvanischen Zellensystemen erforderliche Strommenge.In In the present invention, it is only possible to use electricity or the like when the performance of the chemical reaction system is decreased has to oxygen, that of the oxygen-poor part of the chemical Reaction parts was adsorbed, to ionize and pumping to remove. About that It is also possible at the same time to energize the reduction phase again. This way you can the amount of electricity in the present invention much lower be as the one for the pumping of oxygen in conventional galvanic cell systems required amount of electricity.

Die Reaktivierung durch Pumpen von Sauerstoff wird in der vorliegenden Erfindung durchgeführt, indem in einer reduzierenden Atmosphäre oder dergleichen an bzw. auf das chemische Reaktionssystem Strom oder Spannung angelegt oder eine Wärmebehandlung angewendet wird, wenn sich das System auf 400 bis 700 °C befindet. In der vorliegenden Erfindung ist es wünschenswert, in dem oben erwähnten chemischen Reaktionssystem eine Temperatur von 400 bis 700 °C zu halten oder die Temperatur innerhalb dieses Temperaturbereichs anzuheben oder abzusenken und gleichzeitig Strom oder ein elektrisches Feld zwischen der Katode und der Anode für 1 Minute bis zu 3 Stunden anzulegen. In diesem Fall ist es wünschenswert, Strom von 5 mA bis 1 A oder Spannung von 0,5 V bis 2,5 V anzulegen, um eine elektrochemische Reaktion hervorzurufen, und die Behandlung mit Strom oder einem elektrischen Feld bei einem Sauerstoffpartialdruck von 0% bis 21% (in Atmosphäre) durchzuführen. Die Behandlungstemperatur variiert je nach dem Material und den Strukturen, die das System ausmachen; es ist jedoch beispielsweise eine Temperatur um 560 °C, wenn mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconiumoxid als Festelektrolyt verwendet wird, und eine um 450 °C, wenn Cer(IV)-oxid verwendet wird, wünschenswert. Die vorliegende Erfindung stellt ein Aktivierungsverfahren für ein chemisches Reaktionssystem bereit, in dem die Temperatur in dem oben erwähnten chemischen Reaktionssystem bei 500 °C oder mehr gehalten oder innerhalb dieses Temperaturbereichs angehoben oder abgesenkt und in einer reduzierenden Atmosphäre oder unter vermindertem Druck eine Wärmebehandlung durchgeführt wird.The Reactivation by pumping oxygen is present in the present Invention performed by in a reducing atmosphere or the like, to the chemical reaction system or voltage is applied or a heat treatment is applied, when the system is at 400 to 700 ° C. In the present invention it is desirable in the above mentioned chemical reaction system to maintain a temperature of 400 to 700 ° C. or raise the temperature within this temperature range or lower and at the same time electricity or an electric field between the cathode and the anode for 1 minute up to 3 hours. In this case, it is desirable Current of 5 mA to 1 A or voltage of 0.5 V to 2.5 V to to cause an electrochemical reaction, and treatment with electricity or an electric field at an oxygen partial pressure from 0% to 21% (in atmosphere) perform. The treatment temperature varies depending on the material and the Structures that make up the system; it is, however, for example a temperature around 560 ° C, though Yttria-stabilized zirconia as a solid electrolyte is used, and a 450 ° C, if Cerium (IV) oxide is used, desirable. The The present invention provides an activation process for a chemical Reaction system ready in which the temperature in the above-mentioned chemical Reaction system at 500 ° C or more, or raised within this temperature range or lowered and in a reducing atmosphere or under reduced pressure, a heat treatment carried out becomes.

Zusätzlich zu den Bedingungen der Behandlungstemperatur und der Komponentenmaterialien sind die Bedingungen der Menge des angelegten Stroms, der angelegten Spannung, der Stromdauer und des Sauerstoffpartialdrucks oder Gesamtdrucks in Atmosphäre variabel. Wenn beispielsweise mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconiumoxid als Elektrolyt und Nickeloxid und Zirconiumoxid als Arbeitselektrodenmaterialien verwendet werden, wird die Fähigkeit zum Zerlegen von Stickstoffoxiden durch Anlegen von 100 mA, 2 V für 1 Stunde (Sauerstoff: 10%) auf das Niveau vor der Behandlung wiederhergestellt. Der Grad der Verminderung aufgrund der Sauerstoffadsorption beträgt nach 100 Stunden kontinuierlichen Betriebs (ohne Strom) etwa 20% und die Leistung kann mittels der oben erwähnten Strombehandlung wiederholt wiederhergestellt werden.In addition to the conditions of the treatment temperature and the component materials the conditions of the amount of applied current, the applied Voltage, the current duration and the oxygen partial pressure or total pressure in the atmosphere variable. For example, when zirconia stabilized with yttria as the electrolyte and nickel oxide and zirconium oxide as working electrode materials will be used, the ability to Disassemble nitrogen oxides by applying 100 mA, 2 V for 1 hour (Oxygen: 10%) restored to pre-treatment levels. Of the Degree of reduction due to oxygen adsorption is after 100 hours continuous operation (without electricity) about 20% and the power can be repeated by means of the above-mentioned current treatment be restored.

Als Nächstes wird die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlicher erläutert.Next will be the third embodiment of the present invention explained in more detail.

In der vorliegenden Erfindung ist der Festelektrolyt des Sauerstoffionenleiters ein Festelektrolyt mit einer Leitfähigkeit von 10–6 Ω–1·cm–1 oder mehr bei der Einsatztemperatur. Unter 10–6 Ω–1·cm–1 ist die Konduktanz so gering, dass ein oxidiertes Reduktionsmittel (R) oder ein reduziertes Oxid (ROx) nicht mit geeigneter Geschwindigkeit elektrochemisch reduziert bzw. oxidiert werden kann, und der Energieverlust aufgrund des internen Widerstands ist für den Einsatz in der Praxis zu hoch. Beispiele dieses Festelektrolyten des Sauerstoffionenleiters beinhalten die Oxide ZrO2, CeO2, Bi2O3 und LaGaO3. Ein ZrO2-Oxid kann mit Y, Sc oder dergleichen stabilisiert werden. Ein CeO2-Oxid kann mit Gd, Sm oder dergleichen stabilisiert werden. Mehrere Sauerstoffionenleiter können als ein Verbundstoff oder Schichtstoff verwendet werden. Vom Gesichtspunkt der Stabilität her ist insbesondere ein ZrO2-Oxid zum Entfernen von Stickstoffoxiden wünschenswert.In the present invention, the solid electrolyte of the oxygen ion conductor is a solid electrolyte having a conductivity of 10 -6 Ω- 1 · cm -1 or more at the use temperature. Below 10 -6 Ω -1 · cm -1 , the conductance is so low that an oxidized reducing agent (R) or a reduced oxide (RO x ) can not be electrochemically reduced or oxidized at an appropriate rate, and the energy loss due to internal combustion Resistance is too high for practical use. Examples of this solid electrolyte of the oxygen ion conductor include the oxides ZrO 2 , CeO 2 , Bi 2 O 3 and LaGaO 3 . A ZrO 2 oxide can be stabilized with Y, Sc or the like. A CeO 2 oxide can be stabilized with Gd, Sm or the like. Multiple oxygen ion conductors can be used as a composite or laminate. From the viewpoint of stability, ZrO 2 oxide is particularly desirable for removing nitrogen oxides.

Darüber hinaus handelt es sich in der vorliegenden Erfin dung bei dem Elektrodenmaterial, das aus einem Elektronenleiter besteht, um ein Material mit einer Leitfähigkeit von 10–6 Ω–1·cm–1 oder mehr bei der Verwendungstemperatur. Unter 10–6 Ω–1·cm–1 ist die Konduktanz so gering, dass ein oxidiertes Reduktionsmittel (R) oder ein reduziertes Oxid (ROx) nicht mit geeigneter Geschwindigkeit elektrochemisch reduziert bzw. oxidiert werden kann, und der Energieverlust aufgrund des internen Widerstands ist für den Einsatz in der Praxis zu hoch. Beispiele dieses Elektrodenmaterials, das aus einem Elektronenleiter besteht, beinhalten Metalle, Edelstahl, Legierungen, elektronenleitende Oxide, Graphit, glasartiger Kohlenstoff und andere Kohlenstoffe und dergleichen. Darüber hinaus beinhalten spezifische Beispiele Platin, Palladium und andere Edelmetalle und Nickeloxid, Cobaltoxid, Kupfer(I)-oxid, Lanthanmanganat, Lanthancobaltit, Lanthanchromit und andere Metalloxide. Mehrere Elektronenleiter können als ein Verbundstoff oder Schichtstoff verwendet werden. Dieses Elektrodenmaterial kann auch mit dem Festelektrolyten des Sauerstoffionenleiters compoundiert werden, oder es kann ein elektrischer Mischleiter eines Sauerstoffleiters und eines Elektronenleiters verwendet werden. Des Weiteren kann das Elektrodenmaterial auch mit einem Reduktionsmittel oder einem Oxidationsmittel compoundiert werden. Vom Gesichtspunkt der Stabilität her ist insbesondere Au, Pt, Ag, Pd, ein Ni-Oxid, ein Cu-Oxid, ein Fe-Oxid, ein Mn-Oxid oder eine Kombination davon zum Zweck des Entfernens von Stickstoffoxiden wünschenswert.Moreover, in the present invention, the electrode material composed of an electron conductor is a material having a conductivity of 10 -6 Ω -1 · cm -1 or more at the use temperature. Below 10 -6 Ω -1 · cm -1 , the conductance is so low that an oxidized reducing agent (R) or a reduced oxide (RO x ) can not be electrochemically reduced or oxidized at an appropriate rate, and the energy loss due to internal combustion Resistance is too high for practical use. Examples of this electrode material consisting of an electron conductor include metals, stainless steels, alloys, electron-conductive oxides, graphite, vitreous carbon and other carbons, and the like. In addition, specific examples include platinum, palladium and other noble metals and nickel oxide, cobalt oxide, cuprous oxide, lanthanum manganate, lanthanum cobaltite, lanthanum chromite and other metal oxides. Multiple electron conductors may be used as a composite or laminate. This electrode material may also be compounded with the solid electrolyte of the oxygen ion conductor, or an electric mixed conductor of an oxygen conductor and an electron conductor may be used. Furthermore, the electrode material may also be compounded with a reducing agent or an oxidizing agent. Particularly, from the viewpoint of stability, Au, Pt, Ag, Pd, a Ni oxide, a Cu oxide, a Fe oxide, a Mn oxide or a combination thereof for the purpose of removing nitrogen oxides is desirable.

Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Reduktionsmittel (R) kann ein beliebiges aus einem Metall oder einem Suboxid bestehendes Reduktionsmittel, das die Fähigkeit zum Reduzieren des Oxids AOx (wobei x 1/2 der Oxidationszahl von A beträgt), wobei es sich um das Ziel der Reaktion handelt, aufweist, ohne besondere Einschränkungen sein; wünschenswerte Beispiele beinhalten jedoch Mg, Ca und andere Erdalkalimetalle, Ti, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Zn und andere Übergangsmetalle, Al, Ga, In, Sn und andere Metalle und Ti (III), V (IV, III, II), Cr (III, II), Mo (IV, III, II), W (V, IV, III, II), Mn (III), Fe (II), Cu (I) und andere Suboxide. Vom Gesichtspunkt der selektiven Reaktivität her ist insbesondere ein Suboxid oder Metall, von dem 50% oder mehr eines oder mehrere aus Ni, Cu und Fe ausgewählte Elemente umfasst, zum Entfernen von Stickstoffoxiden wünschenswert.The reducing agent (R) used in the present invention may be any one of a metal or a suboxide reducing agent having the ability to reduce the oxide AO x (where x 1/2 is the oxidation number of A), which is the target the reaction is, without being particularly limited; however, desirable examples include Mg, Ca and other alkaline earth metals, Ti, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Zn and other transition metals, Al, Ga, In, Sn and other metals and Ti (III ), V (IV, III, II), Cr (III, II), Mo (IV, III, II), W (V, IV, III, II), Mn (III), Fe (II), Cu ( I) and other suboxides. In particular, from the point of view of selective reactivity, a suboxide or metal, of which 50% or more comprises one or more elements selected from Ni, Cu and Fe, is desirable for removing nitrogen oxides.

Das Oxid AOx (wobei x 1/2 der Oxidationszahl von A beträgt), das mittels des Reaktionsverfahrens des Oxidoreduktionsreaktors der vorliegenden Erfindung reduziert werden kann, ist beispielsweise organische Materie, die Sauerstoff enthält, Sauerstoff, Wasser, Stickstoffoxide oder dergleichen, die im Oxidoreduktionsreaktor zum reduzierten Produkt AOx-y (wobei 0 < y ≤ x) reduziert werden können. Die Reduktion des Oxids AOx kann bis zum vollständig reduzierten A (y = x) oder bis zum teilweise reduzierten AOx-y (wobei 0 < y < x) ablaufen.The oxide AO x (where x 1/2 is the oxidation number of A) that can be reduced by the reaction method of the oxidoreduction reactor of the present invention is, for example, organic matter containing oxygen, oxygen, water, nitrogen oxides or the like contained in the oxidoreduction reactor to the reduced product AO xy (where 0 <y ≤ x) can be reduced. The reduction of the oxide AO x can proceed to the completely reduced A (y = x) or to the partially reduced AO xy (where 0 <y <x).

Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Oxidationsmittel (ROx) kann ein beliebiges aus Oxiden bestehendes Oxidationsmittel, das die Verbindung A oxidieren kann, wobei es sich um das Ziel der Reaktion handelt, aufweist, ohne besondere Einschränkungen sein, und Beispiele beinhalten Ti, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Zn, Pd, Pt, Rh, Au, Ir und andere Übergangsmetalloxide und Al, Ga, In, Sn und andere Metalloxide. Vom Gesichtspunkt der selektiven Reaktivität her ist insbesondere ein Oxid, von dem 50% oder mehr eines oder mehrere aus Ni, Cu, Ag und Pt ausgewählte Elemente umfasst, für Oxidationsreaktionen von Kohlenwasserstoffen und organischen Chlorverbindungen wünschenswert.The oxidizing agent (RO x ) used in the present invention may be any of oxides consisting of oxidizing agent which can oxidize the compound A which is the target of the reaction, without being particularly limited, and examples include Ti, Cr, Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Zn, Pd, Pt, Rh, Au, Ir and other transition metal oxides and Al, Ga, In, Sn and other metal oxides. In particular, from the point of view of selective reactivity, an oxide of which 50% or more comprises one or more elements selected from Ni, Cu, Ag and Pt is desirable for oxidation reactions of hydrocarbons and organic chlorine compounds.

Bei einer Verbindung A, die mittels eines Oxidationsverfahrens, in dem der Oxidoreduktionsreaktor der vorliegenden Erfindung verwendet wird, oxidiert werden kann, handelt es sich beispielsweise um organische Materie, eine organische Chlorverbindung, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Stickstoffoxide, Ammoniak oder dergleichen, die im oben erwähnten Oxidoreduktionsreaktor zu AOy-Oxiden oxidiert werden können. Insbesondere können Alkohol oder Carbonsäure aus einem Kohlenwasserstoff, wie beispielsweise Methan, Ethan, Propan, Butan oder dergleichen, teilweise oxidiert und organische Chlorverbindungen, wie beispielsweise Dioxine, durch Oxidation abgebaut werden. Durch Steuerung der Reaktionsbedingungen, einschließlich der Reaktionszeit, der angelegten Spannung und dergleichen, ist es möglich, die Oxidation der Verbindung A bis zum perfekt oxidierten AOy (y = x) oder bis zur teilweise oxidierten Zwischenverbindung AOx-y (wobei 0 < y < x) laufen zu lassen.A compound A which can be oxidized by an oxidation method using the oxidoreduction reactor of the present invention is, for example, organic matter, an organic chlorine compound, hydrogen, carbon monoxide, nitrogen oxides, ammonia or the like mentioned in the above-mentioned Oxidoreduktionsreaktor can be oxidized to AO y oxides. In particular, alcohol or carboxylic acid may be partially oxidized from a hydrocarbon such as methane, ethane, propane, butane or the like, and organic chlorine compounds such as dioxins may be degraded by oxidation. By controlling the reaction conditions, including reaction time, applied voltage, and the like, it is possible to oxidize compound A to perfectly oxidized AO y (y = x) or partially oxidized intermediate AO xy (where 0 <y <x ) to run.

Wenn der in der vorliegenden Erfindung verwendete Oxidoreduktionsreaktor als Reduktionsreaktor verwendet wird, wird ein Aufbau wie beispielsweise Reduktionsmittel (R)/-Elektrode/Sauerstoffionenleiter/Elektrode angewendet, oder wenn er als Oxidationsreaktor verwendet wird, wird ein Aufbau wie beispielsweise Elektrode/Sauerstoffionenleiter/Elektrode/Oxidationsmittel (ROx) angewendet. Beim Reduktionsmittel (R) und der Elektrode kann es sich um eine Mischphase der beiden handeln; gleiches gilt für die Elektrode und das Oxidationsmittel (ROx). Zum Zweck des Entfernens von Stickstoffoxiden liegt die Größe des Stickstoffoxid-Reduktionsmittels insbesondere im Bereich von 10 nm bis 1 μm. Bei weniger als 10 nm ist die Aktivität zu stark und andere Oxide werden reduziert, was es schwierig macht, Stickstoffoxide selektiv zu reduzieren. Bei mehr als 1 μm ist die tatsächliche Oberfläche des Stickstoffoxid-Reduktionsmittels verringert und eine effiziente Reduktion ist schwer zu erzielen. Darüber hinaus kann es sich bei der Schicht, die das Reduktionsmittel (R) enthält, oder der Schicht, die das Oxidationsmittel (ROx) enthält, um einen porösen Körper handeln, der Poren aufweist, um die Oxidations- und Reduktionsreaktionen effizienter zu gestalten.When the oxidoreduction reactor used in the present invention is used as a reduction reactor, a structure such as a reducing agent (R) / electrode / oxygen ion conductor / electrode is used, or when it is used as an oxidation reactor, a structure such as electrode / oxygen ion conductor / electrode / Oxidizing agent (RO x ) applied. The reducing agent (R) and the electrode may be a mixed phase of the two; The same applies to the electrode and the oxidizing agent (RO x ). For the purpose of removing nitrogen oxides, the size of the nitrogen oxide reducing agent is in particular in the range of 10 nm to 1 micron. At less than 10 nm, the activity is too strong and other oxides are reduced, making it difficult to selectively reduce nitrogen oxides. At more than 1 μm, the actual surface area of the nitrogen oxide reducing agent is reduced and efficient reduction is difficult to achieve. Moreover, the layer containing the reducing agent (R) or the layer containing the oxidizing agent (RO x ) may be a porous body having pores to make the oxidation and reduction reactions more efficient.

Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Stickstoffoxid-Reduktionsmittel kann im Oxidoreduktionsreaktor gefertigt werden, indem eine oder mehrere aus einem Ni-Oxid, einem Cu-Oxid, einem Fe-Oxid und einem Mn-Oxid ausgewählte Oxidelektronenleiter mit einem Festelektrolyt-Sauerstoffionenleiter in Berührung gebracht werden und an den Elektronenleiter Katodenstrom angelegt wird, um einen Teil des Oxidelektronenleiters zu reduzieren. Im Oxidoreduktionsreaktor der vorliegenden Erfindung kann, um zu bewirken, dass das Reduktionsmittel R das oxidierte ROy zum ursprünglichen Reduktionsmittel R wiederherstellt, um so das Oxid AOx zu reduzieren, ROy durch Anlegen von Strom an die Elektrode elektrochemisch zu R reduziert werden, oder andernfalls kann, um zu bewirken, dass das Oxidationsmittel R'Ox das reduzierte R'Ox-y zum ursprünglichen Oxidationsmittel R'Ox wiederherstellt, um so die Verbindung A zu oxidieren, R'Ox-y durch Anlegen von Strom an die Elektrode elektrochemisch zu R'Ox oxidiert werden. Die Wiederherstellung des Reduktionsmittels R oder des Oxidationsmittels R'Ox durch Anlegen von Strom zwischen den Elektroden kann während der Oxidoreduktion bewerkstelligt werden oder die Wiederherstellung durch Anlegen von Strom kann nach einem festgelegten Zeitintervall durchgeführt werden.The nitrogen oxide reducing agent used in the present invention may be produced in the oxidoreduction reactor by contacting one or more of an oxide of oxide, a Cu oxide, a Fe oxide and an Mn oxide with an electrolytic oxygen ion conductor and cathode current is applied to the electron conductor to reduce a portion of the oxide electron conductor. In the oxidoreduction reactor of the present invention, to cause the reducing agent R to restore the oxidized RO y to the original reducing agent R so as to reduce the oxide AO x , electrochemically reduce RO y to R by applying current to the electrode, or otherwise, to cause the oxidant R'O x to restore the reduced R'O xy to the original oxidant R'O x so as to oxidize compound A, R'O xy can be electrochemically added by applying current to the electrode R'O x be oxidized. Restoration of the reducing agent R or the oxidizing agent R'O x by applying current between the electrodes may be accomplished during the oxidoreduction, or restoration by current application may be performed after a specified time interval.

Im Reaktionsverfahren, in dem der Oxidoreduktionsreaktor der vorliegenden Erfindung verwendet wird, sollte die Arbeitstemperatur zwischen 300 °C und 1000 °C liegen, so dass eine ausreichende Leitfähigkeit des Festelektrolyten, bei dem es sich um den Sauerstoffionenleiter handelt, erzielt werden kann; es ist jedoch auch möglich, die Oxidoreduktion bei einer niedrigen Temperatur, wie beispielsweise Raumtemperatur, durchzuführen, wobei nur dann auf die oben erwähnte Temperatur erhitzt wird, wenn das Reduktionsmittel R oder das Oxidationsmittel R'Ox elektrochemisch wiederhergestellt wird. Da es sich in der vorliegenden Erfindung bei dem verwendeten Reduktionsmittel (R) oder Oxidationsmittel (ROx) um ein beliebiges Material handelt, das gemäß dem Oxidations- oder Reduktionspotenzial der im Oxidoreduktionsreaktor durchzuführenden Reaktion ausgewählt wurde, kann unter auf die erwünschte Reaktion abgestimmten Bedingungen eine hoch selektive Reaktion erzielt werden.In the reaction method using the oxidoreduction reactor of the present invention, the operating temperature should be between 300 ° C and 1000 ° C, so that sufficient conductivity of the solid electrolyte, which is the oxygen ion conductor, can be obtained; however, it is also possible to perform the oxidoreduction at a low temperature such as room temperature, heating to the above-mentioned temperature only when the reducing agent R or the oxidizing agent R'O x is electrochemically recovered. In the present invention, since the reducing agent (R) or oxidizing agent (RO x ) used is any material selected according to the oxidation or reduction potential of the reaction to be carried out in the oxidoreduction reactor, under conditions tuned to the desired reaction, one may highly selective reaction can be achieved.

1 ist ein Blockschema eines chemischen Reaktionssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 Fig. 10 is a block diagram of a chemical reaction system according to an embodiment of the present invention.

2 zeigt ein Beispiel einer lokalen Struktur, die als interne Struktur der Arbeitselektrodenschicht wünschenswert ist. 2 shows an example of a local structure that is desirable as the internal structure of the working electrode layer.

3 ist eine grafische Darstellung, in der die Beziehung zwischen der Leistung der Entfernung von Stickstoffoxiden und der Menge des angelegten Stroms in einem chemischen Reaktionssystem gemäß der vorliegenden Erfindung mit den Ergebnissen vorliegender Forschungen und der Leistung eines Reaktors einer früheren Anmeldung der Erfinder verglichen wird. 3 Fig. 12 is a graph comparing the relationship between the power of removal of nitrogen oxides and the amount of applied current in a chemical reaction system according to the present invention with the results of existing research and the performance of a reactor of a prior application of the present inventors.

4 zeigt ein Beispiel einer lokalen Struktur, die als interne Struktur der Arbeitselektrodenschicht wünschenswert ist. 4 shows an example of a local structure that is desirable as the internal structure of the working electrode layer.

5 zeigt, wie die Fähigkeit zum Reinigen von Stickstoffoxiden durch Anlegen von Strom wiederhergestellt wird. 5 shows how the ability to purify nitrogen oxides is restored by applying current.

Beispiele der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Verwendung der Zeichnungen erläutert. 1 ist ein Blockschema eines chemischen Reaktionssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im chemischen Reaktionsteil 6, der das chemische Reaktionssystem 7 ausmacht, sind eine Arbeitselektrode 2, eine Katode (Reduktionsschicht) 3, eine Ionenleitungsschicht 4 und eine Anode (Oxidationsschicht) von in der Richtung stromaufwärts-stromabwärts in Bezug auf die Strömung von Gas, bei dem es sich um das Ziel der Reaktion handelt, angeordnet, wobei die Sperrschicht 1 stromaufwärts davon platziert ist. Anders ausgedrückt läuft das Zielgas von 1 in Richtung 5.Examples of the first embodiment of the present invention will be explained below using the drawings. 1 Fig. 10 is a block diagram of a chemical reaction system according to an embodiment of the present invention. In the chemical reaction part 6 who has the chemical reaction system 7 make up, are a working electrode 2 , a cathode (reduction layer) 3 , an ionic conduction layer 4 and an anode (oxidation layer) disposed in the upstream-downstream direction with respect to the flow of gas that is the target of the reaction, wherein the barrier layer 1 placed upstream of it. In other words, the target gas runs from 1 in the direction 5 ,

2 zeigt ein Beispiel eines Mikroreaktionsbereichs einer wünschenswerten internen lokalen Struktur in der Arbeitselektrodenschicht 2 gemäß der vorliegenden Erfindung. Im Folgenden ist eine ausführlichere Erklärung, bei der Stickstoffoxide als Zielsubstanz verwendet werden, angeführt. 2 shows an example of a microreaction range of a desirable internal local Structure in the working electrode layer 2 according to the present invention. The following is a more detailed explanation using nitrogen oxides as the target substance.

Beispiel 1example 1

Mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconiumoxid wurde als Ionenleitungsphase 4 in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Stärke von 0,5 mm verwendet. Bei der Reduktionsphase 3 handelte es sich um eine Mischschicht aus Platin und Zirconiumoxid, wohingegen die Arbeitselektrodenschicht 2 ein aus einer Mischung aus Nickeloxid und mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid bestehender Film war. Zunächst wurde ein Platinfilm durch Siebdruck auf eine Fläche von etwa 1,8 cm2 auf einer Seite der Ionenleitungsphase 4 aufgebracht und mittels Wärmebehandlung bei 1200 °C ausgebildet. Ein Mischfilm aus Nickeloxid und mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid wurde durch Siebdruck auf die gesamte Fläche des Platinfilms aufgebracht und mittels Wärmebehandlung bei 1450 °C ausgebildet. Das Mischungsverhältnis von Nickeloxid zu mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid betrug 6:4 Mol. Nachdem ein Platinfilm durch Siebdruck auf eine Fläche von 1,8 cm2 auf der anderen Seite der Ionenleitungsphase 4, die eine ausgebildete Reduktionsphase aufwies, aufgebracht worden war, wurde dieser mittels Wärmebehandlung bei 1200 °C ausgebildet, um die Oxidationsphase 5 herzustellen. Die Sperrschicht 1 wurde mittels Siebdruck und Wärmebehandlung bei 1400 °C unter Verwendung von mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid mit einer Stärke von etwa 3 Mikron auf dem oberen Teil der Arbeitselektrodenschicht 2 ausgebildet. Anschließend wurde die Temperatur auf 650 °C angehoben, während Strom von 1,2 V zu 25 mA durch die angelegte Katode 3 und die angelegte Anode 5 geleitet wurde, und diese Temperatur wurde für eine Stunde nach Stoppen der Stromzufuhr gehalten und das System wurde dann abgekühlt.Yttria-stabilized zirconia was used as the ion conducting phase 4 in the form of a disc having a diameter of 20 mm and a thickness of 0.5 mm. The reduction phase 3 was a mixed layer of platinum and zirconium oxide, whereas the working electrode layer 2 was a film consisting of a mixture of nickel oxide and yttria-stabilized zirconia. First, a platinum film was screen-printed on an area of about 1.8 cm 2 on one side of the ion conducting phase 4 and formed by heat treatment at 1200 ° C. A mixed film of nickel oxide and yttria-stabilized zirconia was screen printed on the entire surface of the platinum film and formed by heat treatment at 1450 ° C. The mixing ratio of nickel oxide to yttria-stabilized zirconia was 6: 4 moles. After a platinum film was screen-printed on an area of 1.8 cm 2 on the other side of the ion conducting phase 4 having a formed reducing phase, it was coated Heat treatment at 1200 ° C formed to produce the oxidation phase 5. The barrier layer 1 was screen printed and heat treated at 1400 ° C using yttria stabilized zirconia about 3 microns thick on the top of the working electrode layer 2 educated. Subsequently, the temperature was raised to 650 ° C while current from 1.2 V to 25 mA through the applied cathode 3 and the applied anode 5 was passed and this temperature was maintained for one hour after stopping the power supply and the system was then cooled.

Das Verfahren zur Behandlung von Stickstoffoxiden mit einem chemischen Reaktionssystem der vorliegenden Erfindung, das wie oben ausgebildet wurde, ist im Folgenden gezeigt. Das chemische Reaktionssystem 7 wurde in einem Zielgas angeordnet, die Reduktionsphase 3 und die Oxidationsphase 5 wurden mit Platindrähten als Leitungsdrähten fixiert und an eine Gleichstromquelle angeschlossen, und es wurde Gleichstromspannung angelegt, um den Stromfluss zu starten. Die Bewertung wurde bei einem Reaktionstemperaturbereich von 500 °C bis 600 °C durchgeführt. Ein mit Helium ausgeglichenes Abgasmuster, das 1000 ppm Stickstoffmonoxid und 2% Sauerstoff enthielt, wurde mit einer Strömungsrate von 50 ml/min als Zielgas zugeführt. Die Stickstoffoxidkonzentration im Zielgas vor und nach der Strömung zum chemischen Reaktor wurde mit einem Chemilumineszenz-Messgerät für NOx gemessen, während die Stickstoff- und die Sauerstoffkonzentration mittels Gaschromatographie gemessen wurden. Die Ausschlussrate von Stickstoffoxiden wurde vom Umfang der Verringerung an Stickstoffoxiden abgeleitet, und die Stromdichte und die elektrische Energieaufnahme wurden gemessen, wenn die Ausschlussrate 50% erreichte.The method for treating nitrogen oxides with a chemical reaction system of the present invention formed as above is shown below. The chemical reaction system 7 was placed in a target gas, the reduction phase 3 and the oxidation phase 5 were fixed with platinum wires as lead wires and connected to a DC power source, and DC voltage was applied to start the current flow. The evaluation was carried out at a reaction temperature range of 500 ° C to 600 ° C. A helium-balanced exhaust gas sample containing 1000 ppm of nitrogen monoxide and 2% of oxygen was supplied at a flow rate of 50 ml / min as the target gas. The nitrogen oxide concentration in the target gas before and after the flow to the chemical reactor was measured with a chemiluminescence meter for NO x , while the nitrogen and oxygen concentrations were measured by gas chromatography. The exclusion rate of nitrogen oxides was derived from the amount of reduction of nitrogen oxides, and the current density and electrical energy consumption were measured when the exclusion rate reached 50%.

Die Reaktionstemperatur des chemischen Reaktors wurde auf 600 °C angehoben, und dem chemischen Reaktionsteil wurde Strom zugeführt. Mit ansteigender Strommenge stieg auch die Ausschlussrate der Stickstoffoxide an und die Stickstoffoxide fielen auf etwa 50% ab, wenn die Stromdichte 31 mA/cm2 und die Energieaufnahme 61 mW/cm2 betrug. In der 3 ist die Leistungsabfolge eines chemischen Reaktors der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit der Leistung eines Reaktors einer früheren Anmeldung und den Ergebnissen vorliegender Forschungen gezeigt. Es ist aus dieser Figur erkennbar, dass die Leistung des chemischen Reaktors der vorliegenden Anmeldung die Ergebnisse vorliegender Forschungen übertrifft.The reaction temperature of the chemical reactor was raised to 600 ° C, and power was supplied to the chemical reaction part. As the amount of electricity increased, the nitrogen oxide exclusion rate increased and the nitrogen oxides dropped to about 50% when the current density was 31 mA / cm 2 and the energy consumption was 61 mW / cm 2 . In the 3 For example, the performance of a chemical reactor of the present invention is shown in comparison with the performance of a reactor of a prior application and the results of existing research. It can be seen from this figure that the performance of the chemical reactor of the present application surpasses the results of existing research.

Beispiel 2Example 2

Im Erregungs- und Erwärmungsprozess der letzten Stufe des Herstellens eines chemischen Reaktionssystems wie in Beispiel 1 wurden vier Zyklen durchgeführt, in denen Strom von 1,2 V zu 25 mA zwischen der Katode 3 und der Anode 5 angelegt wurde, während die Temperatur auf 650 °C angehoben und 1 Stunde nach Stoppen der Stromzufuhr gehalten wurde, worauf ein allmähliches Abkühlen folgte, und es wurde die Beziehung zwischen der Zyklenanzahl und der Fähigkeit zur Verarbeitung von Stickstoffoxiden untersucht. Bei 2 Zyklen wurde eine Stickstoffoxidentfernungsrate von 50% bei einer Stromdichte von 25 mA/cm2 und einer elektrischen Energieaufnahme von 49 mW/cm2 erzielt, während dies bei 3 Zyklen auf eine Stromdichte von 24 mA/cm2 und einer elektrischen Energieaufnahme von 47 mW/cm2 abfiel; bei 4 Zyklen waren die Ergebnisse jedoch den mit 3 Zyklen erzielten ähnlich.In the final stage excitation and heating process of producing a chemical reaction system as in Example 1, four cycles were performed in which 1.2 V to 25 mA current was passed between the cathode 3 and the anode 5 was applied while the temperature was raised to 650 ° C and held for 1 hour after stopping the power supply, followed by gradual cooling, and the relationship between the number of cycles and the ability to process nitrogen oxides was examined. For 2 cycles, a nitrogen oxide removal rate of 50% was achieved at a current density of 25 mA / cm 2 and an electrical energy consumption of 49 mW / cm 2 , while for 3 cycles a current density of 24 mA / cm 2 and an electrical energy consumption of 47 mW / cm 2 fell off; however, at 4 cycles, the results were similar to those achieved with 3 cycles.

Beispiel 3Example 3

Veränderungen der Reaktivität in einem chemischen Reak tionssystem, das wie in Beispiel 1 hergestellt wurde, wurden in Bezug auf die Menge an koexistierendem Sauerstoff, der die Reaktion behindert, und die Konzentration von Stickstoffoxiden, bei denen es sich um die Zielsubstanz handelte, untersucht. Die Stromdichte und die elektrische Energieaufnahme bei einer Verringerung von 50% wurden unter denselben Versuchsbedingungen wie in Beispiel 1 (a) mit von 2% auf 10% erhöhter Sauerstoffmenge und (b) mit von 1000 ppm auf 500 ppm verringerter Stickstoffoxidkonzentration gemessen. Die Ergebnisse waren (a) Stromdichte von 55 mA/cm2 und elektrische Energieaufnahme von 150 mW/cm2 bzw. (b) Stromdichte von 20 mA/cm2 und elektrische Energieaufnahme von 37 mW/cm2, was aufzeigte, dass die relative Verarbeitungsfähigkeit im chemischen Reaktionssystem der vorliegenden Erfindung selbst bei einer großen Menge an koexistierendem Sauerstoff verbessert ist, während bei einer schwachen Stickstoffoxidkonzentration eine drastische Leistungssteigerung erkannt wird.Changes in reactivity in a chemical reaction system prepared as in Example 1 were examined in terms of the amount of coexisting oxygen that impeded the reaction and the concentration of nitrogen oxides that was the target substance. The current density and the electrical energy consumption at 50% reduction were measured under the same experimental conditions as in Example 1 (a) with 2% to 10% increased oxygen amount and (b) 1000 ppm down to 500 ppm reduced nitrogen oxide concentration. Which he Results were (a) current density of 55 mA / cm 2 and electrical energy consumption of 150 mW / cm 2 and (b) current density of 20 mA / cm 2 and electrical energy consumption of 37 mW / cm 2 , indicating that the relative processability is improved in the chemical reaction system of the present invention even with a large amount of coexisting oxygen, while at a low nitrogen oxide concentration, a drastic performance increase is recognized.

Beispiele der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Verwendung der Figuren erläutert. 1 ist ein Blockschema eines chemischen Reaktionssystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im chemischen Reaktionsteil 6, der das chemische Reaktionssystem 7 ausmacht, sind die Arbeitselektrode, die Katode (Reduktionsschicht), die Ionenleitungsschicht und die Anode (Oxidationsschicht) in der Richtung stromaufwärts-stromabwärts von 2 zu 5 in Bezug auf die Strömung von Gas, bei dem es sich um das Ziel der Reaktion handelt, angeordnet, wobei die Sperrschicht 1 stromaufwärts davon platziert ist. Anders ausgedrückt läuft das Zielgas von 1 in Richtung 5.Examples of the second embodiment of the present invention will be explained below using the figures. 1 Fig. 10 is a block diagram of a chemical reaction system according to an embodiment of the present invention. In the chemical reaction part 6 who has the chemical reaction system 7 The working electrode, the cathode (reduction layer), the ion conducting layer and the anode (oxidation layer) are arranged in the upstream-downstream direction from 2 to 5 with respect to the flow of gas which is the target of the reaction , wherein the barrier layer 1 placed upstream of it. In other words, the target gas runs from 1 in the direction 5.

Im Folgenden ist eine ausführlichere Erklärung, bei der Stickstoffoxide als Zielsubstanz verwendet werden, angeführt.in the The following is a more detailed one Statement, in which nitrogen oxides are used as the target substance.

Beispiel 4Example 4

Mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconiumoxid wurde als Ionenleitungsphase 4 in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Stärke von 0,5 mm verwendet. Bei der Reduktionsphase 3 handelte es sich um eine Mischschicht aus Platin und Zirconiumoxid, wohingegen die Arbeitselektrodenschicht 2 ein aus einer Mischung aus Nickeloxid und mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid bestehender Film war. Zunächst wurde ein Platinfilm durch Siebdruck auf eine Fläche von etwa 1,8 cm2 auf einer Seite der Ionenleitungsphase 4 aufgebracht und mittels Wärmebehandlung bei 1200 °C ausgebildet. Ein Mischfilm aus Nickeloxid und mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid wurde durch Siebdruck auf die gesamte Fläche des Platinfilms aufgebracht und mittels Wärmebehandlung bei 1450 °C ausgebildet. Das Mischungsverhältnis von Nickeloxid zu mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid betrug 6:4 Mol. Nachdem ein Platinfilm durch Siebdruck auf eine Fläche von 1,8 cm2 auf der anderen Seite der Ionenleitungsphase 4, die eine ausgebildete Reduktionsphase aufwies, aufgebracht worden war, wurde dieser mittels Wärmebehandlung bei 1200 °C ausgebildet, um die Oxidationsphase 5 herzustellen. Die Sperrschicht 1 wurde mittels Siebdruck und Wärmebehandlung bei 1400 °C unter Verwendung von mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid mit einer Stärke von etwa 3 Mikron auf dem oberen Teil der Arbeitselektrodenschicht 2 ausgebildet. Anschließend wurde die Temperatur auf 650 °C angehoben, während Strom von 1,2 V zu 25 mA durch die Katode 3 und die Anode 5 geleitet wurde, und diese Temperatur wurde für eine Stunde nach Stoppen der Stromzufuhr gehalten und das System wurde dann abgekühlt.Yttria-stabilized zirconia was used as the ion conducting phase 4 in the form of a disc having a diameter of 20 mm and a thickness of 0.5 mm. The reduction phase 3 was a mixed layer of platinum and zirconium oxide, whereas the working electrode layer 2 was a film consisting of a mixture of nickel oxide and yttria-stabilized zirconia. First, a platinum film was screen-printed on an area of about 1.8 cm 2 on one side of the ion conducting phase 4 and formed by heat treatment at 1200 ° C. A mixed film of nickel oxide and yttria-stabilized zirconia was screen printed on the entire surface of the platinum film and formed by heat treatment at 1450 ° C. The mixing ratio of nickel oxide to yttria-stabilized zirconia was 6: 4 moles. After a platinum film was screen-printed on an area of 1.8 cm 2 on the other side of the ion conducting phase 4 having a formed reducing phase, it was coated Heat treatment at 1200 ° C formed to produce the oxidation phase 5. The barrier layer 1 was screen printed and heat treated at 1400 ° C using yttria stabilized zirconia about 3 microns thick on the top of the working electrode layer 2 educated. Subsequently, the temperature was raised to 650 ° C while current from 1.2 V to 25 mA through the cathode 3 and the anode 5 was passed and this temperature was maintained for one hour after stopping the power supply and the system was then cooled.

Das Verfahren zur Behandlung von Stickstoffoxiden mit einem chemischen Reaktionssystem der vorliegenden Erfindung, das wie oben ausgebildet wurde, ist im Folgenden gezeigt. Das chemische Reaktionssystem 7 wurde in einem Zielgas angeord net, die Reduktionsphase 3 und die Oxidationsphase 5 wurden mit Platindrähten als Leitungsdrähten fixiert und an eine Gleichstromquelle angeschlossen, und es wurde Gleichstromspannung angelegt, um den Stromfluss zu starten. Die Systemleistung wurde bei Stromzufuhr bei 600 °C und ohne Stromzufuhr bei einer Reaktionstemperatur von 350 °C bewertet. Ein mit Helium ausgeglichenes Abgasmuster, das 1000 ppm Stickstoffmonoxid und 2% Sauerstoff enthielt, wurde mit einer Strömungsrate von 50 ml/min als Zielgas zugeführt. Die Stickstoffoxidkonzentration im Zielgas vor und nach der Strömung zum chemischen Reaktionssystem wurde mit einem Chemilumineszenz-Messgerät für NOx gemessen, während die Stickstoff- und die Sauerstoffkonzentration mittels Gaschromatographie gemessen wurden. Die Reinigungsrate von Stickstoffoxiden wurde vom Umfang der Verringerung an Stickstoffoxiden abgeleitet, und die Stromdichte und die elektrische Energieaufnahme wurden gemessen, wenn die Reinigungsrate 50% erreichte.The method for treating nitrogen oxides with a chemical reaction system of the present invention formed as above is shown below. The chemical reaction system 7 was placed in a target gas, the reduction phase 3 and the oxidation phase 5 were fixed with platinum wires as lead wires and connected to a DC power source, and DC voltage was applied to start the current flow. The system performance was evaluated at 600 ° C current supply and no current supply at a reaction temperature of 350 ° C. A helium-balanced exhaust gas sample containing 1000 ppm of nitrogen monoxide and 2% of oxygen was supplied at a flow rate of 50 ml / min as the target gas. The nitrogen oxide concentration in the target gas before and after the flow to the chemical reaction system was measured by a chemiluminescence meter for NO x , while the nitrogen and oxygen concentrations were measured by gas chromatography. The purification rate of nitrogen oxides was derived from the amount of reduction of nitrogen oxides, and the current density and the electric energy consumption were measured when the purification rate reached 50%.

Das heißt, der chemische Reaktor wurde beim Starten der Messung auf eine Reaktionstemperatur von 600 °C erhitzt und dem chemischen Reaktionsteil wurde Strom zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt stieg die Stickstoffoxidreinigungsrate mit ansteigender Strommenge an und die Stickstoffoxide verringerten sich auf etwa 50%, wenn die Stromdichte 31 mA/cm2 und die Energieaufnahme 61 mW/cm2 betrug.That is, the chemical reactor was heated to a reaction temperature of 600 ° C at the start of the measurement, and power was supplied to the chemical reaction part. At this time, the nitrogen oxide purification rate increased with increasing amount of current, and the nitrogen oxides decreased to about 50% when the current density was 31 mA / cm 2 and the energy consumption was 61 mW / cm 2 .

Die Stromzufuhr zu diesem chemischen Reaktionssystem wurde 1 Stunde nach dem Start dieser gestoppt, wohingegen die Messung der Abbaurate von Stickstoffoxiden fortgesetzt wurde. Die Abbaurate von Stickstoffoxiden fiel direkt nach Einstellung der Stromzufuhr um etwa 10%, neigte jedoch dann dazu, langsam abzufallen, eine Abnahme von lediglich 5% oder weniger nach insgesamt 5 Tagen (120 Stunden) kontinuierlicher Messung, was aufzeigte, dass sich die Ausschlussrate im Zeitverlauf verringerte. Wenn die Menge an elektrischer Energie, die für eine Ausschlussreaktion von Stickstoffoxiden über insgesamt 120 Stunden benötigt wurde, mit bei einer Ausschlussrate von 35% berechneten Werten verglichen wurde, wurde festgestellt, dass diese mit der vorliegenden Erfindung um etwa 1/84 oder weniger der bei kontinuierlicher Stromzufuhr erforderlichen verringert wurde.The power supply to this chemical reaction system was stopped 1 hour after the start of this, while the measurement of the decomposition rate of nitrogen oxides was continued. The rate of degradation of nitrogen oxides dropped by about 10% immediately after power adjustment, but then tended to decrease slowly, decreasing by as little as 5% or less after a total of 5 days (120 hours) of continuous measurement, indicating that the exclusion rate in the Time course decreased. When the amount of electrical energy needed for a total nitrogen exclusion reaction of 120 hours was compared with values calculated at a 35% exclusion rate It has been found that this has been reduced by about 1/84 or less with the present invention as required by continuous power supply.

Beispiel 5Example 5

Um die Anwendbarkeit auf Bedingungen eines tatsächlichen Einsatzes zu untersuchen, wurde die Fähigkeit zum Entfernen von Stickstoffoxiden bei von 2% auf 10% erhöhtem Sauerstoffgehalt und von 1000 ppm auf 500 ppm verringerter Konzentration an Stickstoffoxiden in einem chemischen Reaktionssystem desselben Aufbaus wie in Beispiel 4 untersucht. Dem System wurde 3 Mal jeweils 10 Minuten lang unter denselben Bedingungen in Bezug auf die Temperatur und die elektrische Energie wie in Beispiel 4 Strom zugeführt. Wie in der 5 gezeigt ist, verringerte sich die Abbaurate von Stickstoffoxiden direkt nach dem Starten der Messung um 15% oder mehr und war etwa 20 Stunden nach Starten der Messung auf eine Stickstoffoxidabbaurate von weniger als 30% abgefallen, verringerte sich dann jedoch allmählich und befand sich nach etwa 100 Stunden in einem ungefähren Gleichgewicht. Nach 200 Stunden wurden durch nochmaliges Anlegen von Strom im Zeitverlauf ungefähr dieselben Veränderungen der Stickstoffoxidabbaurate erzielt.In order to examine the applicability to conditions of actual use, the ability to remove nitrogen oxides at 2% to 10% increased oxygen content and from 1000 ppm to 500 ppm reduced concentration of nitrogen oxides in a chemical reaction system of the same construction as in Example 4 was examined. The system was energized 3 times for 10 minutes each under the same conditions of temperature and electrical energy as in Example 4. Like in the 5 The degradation rate of nitrogen oxides immediately after starting the measurement decreased by 15% or more and dropped to a nitrogen oxide degradation rate of less than 30% about 20 hours after starting the measurement, but then gradually decreased to about 100% Hours in an approximate balance. After 200 hours, approximately the same changes in nitrogen oxide degradation rate were achieved by re-applying current over time.

Beispiel 6Example 6

Die Aktivierung des Systems durch Behandlung in einer reduzierenden Atmosphäre wurde in einem chemischen Reaktionssystem desselben Aufbaus wie in Beispiel 4 bewertet. Wenn in einem chemischen Reaktionssystem, in dem für einen Stickstoffoxidabbau von 50% eine Energieaufnahme von ungefähr 68 mW/cm2 benötigt wurde, mit 2% koexistierendem Sauerstoff, einer Systembetriebstemperatur von 650 °C und einer Stickstoffoxidkonzentration von 1000 ppm die Temperatur 48 Stunden nach Stoppen der Stromzufuhr (wobei die Stickstoffoxidabbaurate zu diesem Zeitpunkt auf 38% abgefallen war) auf 800 °C angehoben, ein reduzierendes Gas aus 5% Wasserstoff und 95% Argon 10 Stunden lang zugeführt und die Stickstoffoxidreinigungsleistung gemessen wurde, wurde festgestellt, dass die Leistung sich um etwa 2% gesteigert hatte.Activation of the system by treatment in a reducing atmosphere was evaluated in a chemical reaction system of the same construction as in Example 4. In a chemical reaction system that consumed about 68 mW / cm 2 for 50% nitrogen oxide removal, with 2% coexisting oxygen, a system operating temperature of 650 ° C and a nitrogen oxide concentration of 1000 ppm, the temperature was 48 hours after stopping from the power supply (wherein the nitrogen oxide degradation rate had fallen to 38% at this time) was raised to 800 ° C, a reducing gas of 5% hydrogen and 95% argon was supplied for 10 hours and the nitrogen oxide purification performance was measured, it was found that the power was around had increased by about 2%.

Als Nächstes wird die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf Grundlage von Beispielen ausführlich erläutert; die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht nur auf diese Beispiele beschränkt.When next the third embodiment of the present invention explained in detail based on examples; the However, the present invention is not limited only to these examples.

Beispiel 7Example 7

Mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconiumoxid wurde als ein Festelektrolyt mit Sauerstoffionenleitfähigkeit in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Stärke von 0,5 mm verwendet. Bei der Elektrodenschicht handelte es sich um einen Verbundstoff aus Platin und mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid mit einem Volumenverhältnis von 40:60. Die Reduktionsmittelschicht war ein Verbundstoff aus Eisen, Platin und mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid mit einem Volumenverhältnis von 30:30:40 und wurde als die obere Schicht der oben erwähnten Elektrodenschicht hergestellt. Die Elektrodenschicht, bei der es sich um die Gegenelektrode handelte, wurde als ein Verbundstoff aus Platin und mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid mit einem Volumenverhältnis von 60:40 auf einer zu der gegenüberliegenden Oberfläche der Festelektrolytenscheibe gleichgroßen Fläche hergestellt.With Yttria stabilized zirconia was used as a solid electrolyte with oxygen ion conductivity in the form of a disc with a diameter of 20 mm and a Strength of 0.5 mm used. The electrode layer was around a composite of platinum and stabilized with yttria Zirconia with a volume ratio of 40:60. The reducing agent layer was a composite of iron, platinum and yttria stabilized Zirconia with a volume ratio of 30:30:40 and was as the upper layer of the above-mentioned electrode layer. The electrode layer, which was the counter electrode, was stabilized as a composite of platinum and yttria Zirconia with a volume ratio of 60:40 on a too the opposite surface the solid electrolyte disk made equal area.

Ein auf diese Weise hergestellter Sauerstoffreduktionsreaktor wurde zum Synthetisieren von H2 durch Reduktion von H2O in Gegenwart von 10% CO2 verwendet. Durch Anlegen von Strom zwischen den Elektroden unter Temperaturbedingungen von 400 bis 800 °C war es selbst in Gegenwart von CO2 möglich, H2O selektiv zu reduzieren und H2 mit einer Umsatzrate von 90% zu fertigen. Darüber hinaus wurde Strom an die Elektroden angelegt, um das Reduktionsmittel wiederherzustellen, die Stromzufuhr wurde gestoppt, dasselbe H2O wurde mit einer H2-Umsatzrate von 50 bis 80% selektiv reduziert und das Reduktionsmittel wurde durch Anlegen von Strom zwischen den Elektroden wiederhergestellt, wenn die Umsatzrate auf 50% oder weniger fiel. Nach der Wiederherstellung wurde die Stromzufuhr gestoppt und eine Reaktion wie oben durchgeführt, und es war möglich, erneut H2 mit einer Umsatzrate von 50 bis 80% zu fertigen.An oxygen reduction reactor made in this manner was used to synthesize H 2 by reducing H 2 O in the presence of 10% CO 2 . By applying current between the electrodes under temperature conditions of 400 to 800 ° C, even in the presence of CO 2, it was possible to selectively reduce H 2 O and produce H 2 at a conversion rate of 90%. In addition, current was applied to the electrodes to restore the reducing agent, the power supply was stopped, the same H 2 O was selectively reduced at an H 2 conversion rate of 50 to 80% and the reducing agent was restored by applying current between the electrodes, when the turnover rate fell to 50% or less. After the restoration, the power supply was stopped and a reaction was conducted as above, and it was possible to make H 2 again at a conversion rate of 50 to 80%.

Beispiel 8Example 8

Mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconiumoxid wurde als ein Festelektrolyt mit Sauerstoffionenleitfähigkeit in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Stärke von 0,5 mm verwendet. Bei der Elektrodenschicht handelte es sich um einen Verbundstoff aus Platin und mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid mit einem Volumenverhältnis von 40:60. Die Stickstoffoxid-Reduktionsmittelschicht war ein Verbundstoff aus Nickeloxid und mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid mit einem Volumenverhältnis von 40:60 und wurde als die obere Schicht der oben erwähnten Elektrodenschicht hergestellt. Die Elektrodenschicht, bei der es sich um die Gegenelektrode handelte, wurde als ein Verbundstoff aus Platin und mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid mit einem Volumenverhältnis von 60:40 auf einer zu der gegenüberliegenden Oberfläche der Festelektrolytenscheibe gleichgroßen Fläche hergestellt. Zwischen den Elektroden wurde bei 500 °C Strom angelegt, um etwas des Nickeloxids der Stickstoffoxid-Reduktionsmittelschicht zu Nickelmetallteilchen mit einer Größe von 100 nm zu reduzieren und die schlussendliche Stickstoffoxid-Reduktionsmittelschicht auszubilden.Yttria-stabilized zirconia was used as a solid electrolyte with oxygen ion conductivity in the form of a disc having a diameter of 20 mm and a thickness of 0.5 mm. The electrode layer was a composite of platinum and yttria-stabilized zirconia with a volume ratio of 40:60. The nitrogen oxide reducing agent layer was a composite of nickel oxide and yttria-stabilized zirconia having a volume ratio of 40:60, and was prepared as the upper layer of the above-mentioned electrode layer. The electrode layer, which was the counter electrode, was fabricated as a composite of platinum and yttria-stabilized zirconia having a volume ratio of 60:40 on an area equal in area to the opposite surface of the solid electrolyte disk. Current was applied between the electrodes at 500 ° C to form some of the nickel oxide of the nitrogen oxide reductant layer to nickel metal part 100 nm in size and to form the final nitrogen oxide reductant layer.

1000 ppm NO als die Stickstoffoxide wurden in Gegenwart von 5% O2 mittels eines auf diese Weise hergestellten Oxidoreduktionsreaktors reduziert und entfernt. NO wurde selbst in Gegenwart von O2 durch Anlegen von Strom zwischen den Elektroden unter Temperaturbedingungen von 400 bis 700 °C mit einer Umsatzrate von 70% selektiv reduziert. Darüber hinaus wurde Strom an die Elektroden angelegt, um das Reduktionsmittel wiederherzustellen, die Stromzufuhr wurde gestoppt, dasselbe NO wurde mit einer Umsatzrate von 50 bis 80% selektiv reduziert und das Reduktionsmittel wurde durch Anlegen von Strom zwischen den Elektroden wiederhergestellt, wenn die Umsatzrate auf 50% oder weniger fiel. Nach der Wiederherstellung wurde die Stromzufuhr gestoppt und eine Reaktion wie oben durchgeführt, und es war möglich, erneut NO mit einer Umsatzrate von 50 bis 80% zu fertigen.1000 ppm NO as the nitrogen oxides were reduced and removed in the presence of 5% O 2 by means of an oxidoreduction reactor prepared in this way. NO was selectively reduced even in the presence of O 2 by applying current between the electrodes under temperature conditions of 400 to 700 ° C at a conversion rate of 70%. In addition, current was applied to the electrodes to restore the reducing agent, the power supply was stopped, the same NO was selectively reduced at a conversion rate of 50 to 80%, and the reducing agent was restored by applying current between the electrodes when the conversion rate was 50 % or less fell. After the restoration, the power supply was stopped and a reaction was conducted as above, and it was possible to make NO again at a conversion rate of 50 to 80%.

Beispiel 9Example 9

Mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconiumoxid wurde als ein Festelektrolyt mit Sauerstoffionenleitfähigkeit in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Stärke von 0,5 mm verwendet. Bei der Elektrodenschicht handelte es sich um einen Verbundstoff aus Lanthanmanganat und mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid mit einem Volumenverhältnis von 50:50. Die Stickstoffoxid-Reduktionsmittelschicht war ein Verbundstoff aus Nickeloxid und mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid mit einem Volumenverhältnis von 40:60 und wurde als die obere Schicht der oben erwähnten Elektrodenschicht hergestellt. Die Elektrodenschicht als die Gegenelektrode wurde derart aus La-Sr-Ca-Fe-O hergestellt, dass sie eine zu der gegenüberliegenden Oberfläche der Festelektrolytenscheibe gleichgroße Fläche aufwies. Zwischen den Elektroden wurde bei 500 °C Strom angelegt, um etwas des Nickeloxids der Stickstoffoxid-Reduktionsmittelschicht in Nickelmetallteilchen mit einer Größe von 50 nm umzuwandeln und die schlussendliche Stick stoffoxid-Reduktionsmittelschicht auszubilden.With Yttria stabilized zirconia was used as a solid electrolyte with oxygen ion conductivity in the form of a disc with a diameter of 20 mm and a Strength of 0.5 mm used. The electrode layer was a composite of lanthanum manganate and yttria stabilized Zirconia with a volume ratio of 50:50. The nitrogen oxide reducing agent layer was a composite of nickel oxide and yttria stabilized Zirconia with a volume ratio of 40:60 and was reported as the upper layer of the above mentioned Electrode layer produced. The electrode layer as the counter electrode was thus made from La-Sr-Ca-Fe-O, that they have one to the opposite surface of the Solid electrolyte disk had the same size surface. Between the electrodes was at 500 ° C Power applied to some of the nickel oxide of the nitric oxide reductant layer to convert into nickel metal particles with a size of 50 nm and to form the final nitrogen oxide reducing agent layer.

1000 ppm NO als die Stickstoffoxide wurden in Gegenwart von 10% O2 mit einem auf diese Weise hergestellten Oxidoreduktionsreaktor reduziert und entfernt. Selbst in Gegenwart von O2 war es möglich, durch Anlegen von Strom zwischen den Elektroden unter Temperaturbedingungen von 400 bis 700 °C NO mit einer Umsatzrate von 65% selektiv zu reduzieren. Darüber hinaus wurde Strom an die Elektroden angelegt, um das Reduktionsmittel wiederherzustellen, die Stromzufuhr wurde gestoppt, dasselbe NO wurde mit einer Umsatzrate von 50 bis 80% selektiv reduziert und das Reduktionsmittel wurde durch Anlegen von Strom zwischen den Elektroden wiederhergestellt, wenn die Umsatzrate auf 50% oder weniger fiel. Nach der Wiederherstellung wurde die Stromzufuhr gestoppt und eine Reaktion wie oben durchgeführt, und es war möglich, erneut NO mit einer Umsatzrate von 50 bis 80% zu fertigen.1000 ppm of NO as the nitrogen oxides were reduced and removed in the presence of 10% O 2 with an oxidoreduction reactor prepared in this way. Even in the presence of O 2 , it was possible to selectively reduce NO at a conversion rate of 65% by applying current between the electrodes under temperature conditions of 400 to 700 ° C. In addition, current was applied to the electrodes to restore the reducing agent, the power supply was stopped, the same NO was selectively reduced at a conversion rate of 50 to 80%, and the reducing agent was restored by applying current between the electrodes when the conversion rate was 50 % or less fell. After the restoration, the power supply was stopped and a reaction was conducted as above, and it was possible to make NO again at a conversion rate of 50 to 80%.

Beispiel 10Example 10

Mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconiumoxid wurde als ein Festelektrolyt mit Sauerstoffionenleitfähigkeit in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Stärke von 0,5 mm verwendet. Bei der Elektrodenschicht handelte es sich um einen Verbundstoff aus Platin und mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid mit einem Volumenverhältnis von 40:60. Die Oxidationsschicht war ein Verbundstoff aus Silberoxid, Platin und mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid mit einem Volumenverhältnis von 30:30:40 und wurde als die obere Schicht der oben erwähnten Elektrodenschicht hergestellt. Die Elektrodenschicht, bei der es sich um die Gegenelektrode handelte, wurde als ein Verbundstoff aus Platin und mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid mit einem Volumenverhältnis von 60:40 auf einem zu der gegenüberliegenden Oberfläche der Festelektrolytenscheibe gleichgroßen Oberflächenbereich hergestellt.With Yttria stabilized zirconia was used as a solid electrolyte with oxygen ion conductivity in the form of a disc with a diameter of 20 mm and a Strength of 0.5 mm used. The electrode layer was around a composite of platinum and stabilized with yttria Zirconia with a volume ratio of 40:60. The oxidation layer was a composite of silver oxide, platinum and yttria stabilized Zirconia with a volume ratio of 30:30:40 and was as the upper layer of the above-mentioned electrode layer. The Electrode layer, which was the counter electrode, was stabilized as a composite of platinum and yttria Zirconia with a volume ratio of 60:40 on a too the opposite surface the solid electrolyte disk made equal surface area.

CH3OH wurde mittels partieller Oxidation von CH4 in Gegenwart von 5% CO unter Verwendung eines auf diese Weise hergestellten Oxidoreduktionsreaktors synthetisiert. Durch Anlegen von Strom zwischen den Elektroden unter Temperaturbedingungen von 400 bis 600 °C war es selbst in Gegenwart von CO möglich, CH3OH durch selektive Oxidation von CH4 mit einer Umsatzrate von 95% zu fertigen. Darüber hinaus wurde Strom zwischen den Elektroden angelegt, um das Oxidationsmittel wiederherzustellen, die Stromzufuhr wurde gestoppt, dasselbe CH4 wurde selektiv oxidiert, um CH3OH mit einer Umsatzrate von 60 bis 80% zu fertigen, und Strom wurde zwischen die Elektroden geleitet, um das Oxidationsmittel wiederherzustellen, wenn die Umsatzrate auf 60% oder weniger fiel. Nach der Wiederherstellung wurde die Stromzufuhr gestoppt und wenn die gleiche Reaktion wie oben durchgeführt wurde, war es möglich, erneut CH3OH mit einer Umsatzrate von 60 bis 80% zu fertigen.CH 3 OH was synthesized by partial oxidation of CH 4 in the presence of 5% CO using an oxidoreduction reactor prepared in this way. By applying current between the electrodes under temperature conditions of 400 to 600 ° C, even in the presence of CO, it was possible to produce CH 3 OH by selective oxidation of CH 4 at a conversion rate of 95%. In addition, current was applied between the electrodes to restore the oxidant, the power supply was stopped, the same CH 4 was selectively oxidized to produce CH 3 OH at a conversion rate of 60 to 80%, and current was passed between the electrodes to to restore the oxidant when the conversion rate fell to 60% or less. After the restoration, the power supply was stopped, and when the same reaction as above was carried out, it was possible to produce again CH 3 OH at a conversion rate of 60 to 80%.

Beispiel 11Example 11

Mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconiumoxid wurde als ein Festelektrolyt mit Sauerstoffionenleitfähigkeit in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Stärke von 0,5 mm verwendet. Bei der Elektrodenschicht handelte es sich um einen Verbundstoff aus Platin und mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid mit einem Volumenverhältnis von 40:60. Die Oxidationsschicht war ein Verbundstoff aus Kupfer(I)-oxid, Platin und mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid mit einem Volumenverhältnis von 40:30:30 und wurde als die obere Schicht der oben erwähnten Elektrodenschicht hergestellt. Die Elektrodenschicht, bei der es sich um die Gegenelektrode handelte, wurde als ein Verbundstoff aus Lanthanmanganat und mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirconiumoxid mit einem Volumenverhältnis von 60:40 auf einem zu der gegenüberliegenden Oberfläche der Festelektrolytenscheibe gleichgroßen Oberflächenbereich hergestellt.Yttria-stabilized zirconia was used as a solid electrolyte with oxygen ion conductivity in the form of a disc having a diameter of 20 mm and a thickness of 0.5 mm. The electrode layer was a composite of platinum and yttria-stabilized zirconia with a volume ratio of 40:60. The oxidation layer was an Ver Composite of copper (I) oxide, platinum and yttria-stabilized zirconia having a volume ratio of 40:30:30 was prepared as the upper layer of the above-mentioned electrode layer. The electrode layer, which was the counter electrode, was fabricated as a composite of lanthanum manganate and yttria-stabilized zirconia having a volume ratio of 60:40 on a surface area of equal size to the opposite surface of the solid electrolyte disk.

Dioxin wurde in Gegenwart von 10% CO unter Verwendung eines wie oben hergestellten Oxidoreduktionsreaktors durch Oxidation abgebaut. Durch Anlegen von Strom zwischen den Elektroden unter Temperaturbedingungen von 400 bis 600 °C war es selbst in Gegenwart von CO möglich, Dioxin mit einer Umsatzrate von 80% selektiv zu oxidieren und abzubauen. Darüber hinaus wurde Strom zwischen den Elektroden angelegt, um das Oxidationsmittel wiederherzustellen, die Stromzufuhr wurde gestoppt, dasselbe Dioxin wurde mit einer Umsatzrate von 40 bis 70% selektiv durch Oxidation abgebaut, und Strom wurde zwischen die Elektroden geleitet, um das Oxidationsmittel wiederherzustellen, wenn die Umsatzrate auf 40% oder weniger fiel. Nach der Wiederherstellung wurde die Stromzufuhr gestoppt und wenn die gleiche Reaktion wie oben durchgeführt wurde, war es möglich, erneut Dioxin mit einer Umsatzrate von 40 bis 70% durch Oxidation abzubauen.dioxin was in the presence of 10% CO using a prepared as above Oxidoreduction reactor degraded by oxidation. By applying of current between the electrodes under temperature conditions of 400 to 600 ° C Even in the presence of CO, it was possible to have dioxin at a conversion rate of 80% to selectively oxidize and degrade. In addition, electricity was between applied to the electrodes to restore the oxidant, the power supply was stopped, the same dioxin was with a Turnover rate of 40 to 70% selectively degraded by oxidation, and electricity was passed between the electrodes to the oxidizing agent restore if the turnover rate fell to 40% or less. After restoration, the power was stopped and when the same reaction was done as above, it was possible again Dioxin with a conversion rate of 40 to 70% by oxidation.

Beispiel 12Example 12

Ein mit Sm stabilisiertes CeO2-Oxid wurde als ein Festelektrolyt mit Sauerstoffionenleitfähigkeit in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Stärke von 0,5 mm verwendet. Bei der Elektrodenschicht handelte es sich um einen Verbundstoff aus Lanthanmanganat und mit Sm stabilisierten CeO2-Oxiden mit einem Volumenverhältnis von 50:50. Die oxidierende Schicht war ein Verbundstoff aus Silberoxid, Wolframoxid und mit Sm stabilisierten CeO2-Oxiden mit einem Volumenverhältnis von 20:20:30:30 und wurde als die obere Schicht der oben erwähnten Elektrodenschicht hergestellt. Die Elektrodenschicht, bei der es sich um die Gegenelektrode handelte, wurde als ein Verbundstoff aus Lanthanmanganat und mit Sm stabilisierten CeO2-Oxiden mit einem Volumenverhältnis von 60:40 auf einer zu der gegenüberliegenden Oberfläche der Festelektrolytenscheibe gleichgroßen Fläche hergestellt.An Sm-stabilized CeO 2 oxide was used as a solid electrolyte with oxygen ion conductivity in the form of a disc having a diameter of 20 mm and a thickness of 0.5 mm. The electrode layer was a composite of lanthanum manganate and Sm-stabilized CeO 2 oxides having a volume ratio of 50:50. The oxidizing layer was a composite of silver oxide, tungsten oxide and Sm-stabilized CeO 2 oxides having a volume ratio of 20: 20: 30: 30, and was prepared as the upper layer of the above-mentioned electrode layer. The electrode layer, which was the counter electrode, was fabricated as a composite of lanthanum manganate and Sm-stabilized CeO 2 oxides having a volume ratio of 60:40 on an area equal in area to the opposite surface of the solid electrolyte disk.

CH3COOH wurde mittels partieller Oxidation von CH3CH2OH in Gegenwart von 5% CH4 unter Verwendung eines wie oben hergestellten Oxidoreduktionsreaktors synthetisiert. Durch Anlegen von Strom zwischen den Elektroden unter Temperaturbedingungen von 400 bis 600 °C war es selbst in Gegenwart von CH4 möglich, CH3COOH durch selektive partielle Oxidation von CH3CH2OH mit einer Umsatzrate von 70% zu fertigen. Darüber hinaus wurde Strom zwischen den Elektroden angelegt, um das Oxidationsmittel wiederherzustellen, die Stromzufuhr wurde gestoppt, dasselbe CH3CH2OH wurde selektiv partiell oxidiert, um CH3COOH mit einer Umsatzrate von 50 bis 70% zu fertigen, und Strom wurde zwischen die Elektroden geleitet, um das Oxidationsmittel wiederherzustellen, wenn die Umsatzrate auf 50% oder weniger fiel. Nach der Wiederherstellung wurde die Stromzufuhr gestoppt und wenn die gleiche Reaktion wie oben durchgeführt wurde, war es möglich, erneut CH3COOH mit einer Umsatzrate von 50 bis 70% zu fertigen.CH 3 COOH was synthesized by partial oxidation of CH 3 CH 2 OH in the presence of 5% CH 4 using an oxidoreduction reactor as prepared above. By applying current between the electrodes under temperature conditions of 400 to 600 ° C, it was even in the presence of CH 4 possible to produce CH 3 COOH by selective partial oxidation of CH 3 CH 2 OH at a conversion rate of 70%. In addition, current was applied between the electrodes to restore the oxidant, the current supply was stopped, the same CH 3 CH 2 OH was selectively partially oxidized to produce CH 3 COOH at a conversion rate of 50 to 70%, and current was between the Electrodes passed to restore the oxidant when the conversion rate fell to 50% or less. After the restoration, the power supply was stopped, and when the same reaction as above was carried out, it was possible to produce again CH 3 COOH at a conversion rate of 50 to 70%.

Wie oben erörtert wurde, werden mit der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die folgenden Wirkungen erzielt.

  • (1) Es kann ein chemisches Reaktionssystem bereitgestellt werden, das eine Zielsubstanz selbst in Gegenwart von überschüssigem Sauerstoff, der die chemische Reaktion der Zielsubstanz stört, effizient verarbeiten kann.
  • (2) Die zum Abbauen von Stickstoffoxiden erforderliche Strommenge kann verringert werden und Stickstoffoxide können bei geringer elektrischer Energieaufnahme effizient ausgeschlossen werden.
  • (3) Mikroreaktionsbereiche, an denen Oxidations- und Reduktionsreaktionen einer Zielsubstanz stattfinden, können in einen Teil des chemischen Reaktionsteils des oben erwähnten chemischen Reaktionssystems eingeführt werden.
  • (4) Es kann ein chemisches Reaktionssystem bereitgestellt werden, das einen chemischen Reaktionsteil aufweist, wobei Grenzflächen, die aus Metallphasenteilen der Elektronenleitungsphase, sauerstoffarmen Teilen der Ionenleitungsphase und Mikroräumen (Zwischenräumen), die die Kontaktstellen dieser umgeben, bestehen, an den Kontaktstellen zwischen der Elektronenleitungsphase und der Ionenleitungsphase ausgebildet werden.
As discussed above, the first embodiment of the present invention achieves the following effects.
  • (1) A chemical reaction system can be provided which can efficiently process a target substance even in the presence of excess oxygen which interferes with the chemical reaction of the target substance.
  • (2) The amount of electricity required to decompose nitrogen oxides can be reduced, and nitrogen oxides can be efficiently excluded at a low electric power consumption.
  • (3) Microreaction regions where oxidation and reduction reactions of a target substance take place can be introduced into a part of the chemical reaction part of the above-mentioned chemical reaction system.
  • (4) A chemical reaction system may be provided which has a chemical reaction part, wherein interfaces consisting of metal phase parts of the electron conduction phase, oxygen-poor parts of the ion conduction phase, and micro-spaces (spaces) surrounding the contact points thereof, at the contact points between the electron conduction phase and the ion conduction phase are formed.

Darüber hinaus werden mit der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die folgenden Wirkungen erzielt.

  • (1) Es kann ein chemisches Reaktionssystem bereitgestellt werden, das eine Zielsubstanz bei geringer elektrischer Energieaufnahme selbst in Gegenwart von überschüssigem Sauerstoff, der die chemische Reaktion der Zielsubstanz stört, effizient verarbeiten kann.
  • (2) Stickstoffoxide können bei geringer elektrischer Energieaufnahme effizient ausgeschlossen werden.
  • (3) Das chemische Reaktionssystem kann reaktiviert werden.
  • (4) Es kann ein energiesparendes elektrochemisches Reaktionssystem bereitgestellt werden, wobei der chemische Reaktionsteil reaktiviert und durch Anlegen von Strom oder eines elektrischen Felds in Zeitintervallen verwendet werden kann.
Moreover, with the second embodiment of the present invention, the following effects are achieved.
  • (1) A chemical reaction system can be provided which can efficiently process a target substance at a low electric energy consumption even in the presence of excess oxygen which interferes with the chemical reaction of the target substance.
  • (2) Nitrogen oxides can be efficiently excluded with low electrical energy consumption.
  • (3) The chemical reaction system can be reactivated.
  • (4) An energy-saving electrochemical reaction system can be provided wherein the chemical reaction part can be reactivated and used by applying current or an electric field at time intervals.

Darüber hinaus betrifft die Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung ein Reaktionsverfahren für Oxidations- und Reduktionsreaktionen, und die im Folgenden beschriebenen Wirkungen werden mit der vorliegenden Erfindung erzielt.

  • (1) Es kann ein Reaktionsverfahren zum Oxidieren oder Reduzieren mit hoher Selektivität unter Verwendung eines Oxidoreduktionsreaktors ohne Erfordernis einer Zufuhr oder eines Austauschs eines Reduktors oder Oxidans bereitgestellt werden.
  • (2) Da im Reaktionsverfahren, in dem der Oxidoreduktionsreaktor der vorliegenden Erfindung verwendet wird, das Reduktionsmittel oder Oxidationsmittel gemäß der Reaktion von verschiedenen Substanzen mit Fähigkeit zur Oxidation oder Reduktion ausgewählt wird, kann eine gewünschte Substanz, wie beispielsweise organische Materie, eine organische Chlorverbindung, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Ammoniak, Stickstoffoxide oder dergleichen, mit hoher Selektivität oxidiert werden.
  • (3) Die vorliegende Erfindung kann beispielsweise zum Synthetisieren nützlicher Substanzen, wie beispielsweise Wasserstoff, Methanol, Essigsäure und dergleichen, um Verunreinigungen zu entfernen, und zum Entfernen von Schadstoffen, wie beispielsweise Dioxinen und Stickstoffoxiden in Abgas, verwendet werden.
  • (4) Da im Verfahren der vorliegenden Erfindung das Reduktionsmittel oder Oxidationsmittel durch Anlegen von Strom wiederhergestellt werden kann, kann ein wartungsarmes Reaktionsverfahren bereitgestellt werden, in dem diese nicht ausgetauscht werden müssen.
Moreover, Embodiment 3 of the present invention relates to a reaction process for oxidation and reduction reactions, and the effects described below are achieved with the present invention.
  • (1) A reaction method for oxidizing or reducing with high selectivity can be provided by using an oxidoreduction reactor without the necessity of supplying or exchanging a reducer or oxidant.
  • (2) In the reaction method in which the oxidoreduction reactor of the present invention is used, since the reducing agent or oxidizing agent is selected according to the reaction of various substances capable of oxidation or reduction, a desired substance such as organic matter, an organic chlorine compound, Hydrogen, carbon monoxide, ammonia, nitrogen oxides or the like can be oxidized with high selectivity.
  • (3) The present invention can be used, for example, for synthesizing useful substances such as hydrogen, methanol, acetic acid and the like to remove impurities, and for removing pollutants such as dioxins and nitrogen oxides in exhaust gas.
  • (4) In the method of the present invention, since the reducing agent or oxidizing agent can be recovered by applying current, a low-maintenance reaction method can be provided in which they need not be replaced.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Die vorliegende Erfindung betrifft ein chemisches Reaktionssystem zum effizienten Ausschluss von Stickstoffoxiden bei geringer Energieaufnahme, wenn in Abgas überschüssiger Sauerstoff vorliegt, ein Verfahren zur Verwendung dieses Systems, ein Aktivierungsverfahren für dieses System und ein Reaktionsverfahren zum Oxidieren oder Reduzieren mit hoher Selektivität mittels der Verwendung eines Oxidoreduktionsreaktors ohne Erfordernis des Zuführens oder Austauschens eines Reduktors oder Oxidans.The The present invention relates to a chemical reaction system for efficient exclusion of nitrogen oxides at low energy intake, when in exhaust gas excess oxygen a method of using this system, an activation method for this System and reaction process for oxidizing or reducing with high selectivity by using an oxidoreduction reactor without requirement of feeding or replacing a reductant or oxidant.

11
Sperrschichtjunction
22
ArbeitselektrodenschichtWorking electrode layer
33
Katode (Reduktionsphase)cathode (Reduction phase)
44
IonenleitungsphaseIon conduction phase
55
Anode (Oxidationsphase)anode (Oxidation phase)
66
Chemischer Reaktionsteilchemical reaction part
77
Chemisches Reaktionssystemchemical reaction system

Claims (39)

Chemisches Reaktionssystem zum Durchführen chemischer Reaktionen einer Zielsubstanz, das einen chemischen Reaktionsteil umfasst, der sich aus einem Sauerstoffionenleiter (Ionenleitungsphase) und zwei Elektroden, einer Katode (Reduktionsphase) und einer dazugehörigen Anode (Oxidationsphase), wobei sich die Ionenleitungsphase zwischen diesen befindet, als Grundeinheiten zusammensetzt, wobei Mikroreaktionsbereiche, an denen Oxidoreduktionen einer Zielsubstanz stattfinden, in einen Teil des chemischen Reaktionsteils eingeführt werden, indem in einer reduzierenden Atmosphäre oder unter vermindertem Druck auf die Stellen des Kontakts zwischen der Ionenleitungsphase und einer Elektronenleitungsphase, die sich aus einer Kombination von beliebigen eines Ionenleiters, eines Elektronenleiters oder eines elektrischen Mischleiters zusammensetzt, im chemischen Reaktionsteil Strom oder Spannung angelegt oder eine Wärmebehandlung angewendet wird.Chemical reaction system for performing chemical Reactions of a target substance that has a chemical reaction part comprising an oxygen ion conductor (ion conduction phase) and two electrodes, a cathode (reduction phase) and an associated anode (Oxidation phase), with the ionic conduction phase between them is composed of basic units, with microreaction areas, where oxidoreductions of a target substance take place, into one Part of the chemical reaction part are introduced by in one reducing atmosphere or under reduced pressure on the points of contact between the ion conduction phase and an electron conduction phase, which is from a combination of any of an ionic conductor, an electron conductor or composed of an electric mixed conductor, in the chemical reaction part Current or voltage applied or a heat treatment is applied. Chemisches Reaktionssystem nach Anspruch 1, wobei Grenzflächen, die aus einer Metallphase der Elektronenleitungsphase, einem sauerstoffarmen Teil der Ionenleitungsphase und Mikroräumen (Zwischenräumen), die die Kontaktstellen dieser umgeben, bestehen, als die Mikroreaktionsbereiche an den Stellen des Kontakts zwischen der Elektronenleitungsphase und der Ionenleitungsphase ausgebildet werden.A chemical reaction system according to claim 1, wherein Interfaces, that of a metal phase of the electron conduction phase, an oxygen-poor part the ion conduction phase and microspaces (spaces), the the contact points of these surround exist as the microreaction areas at the points of contact between the electron conduction phase and the ion conduction phase are formed. Chemisches Reaktionssystem nach Anspruch 1, wobei Mikroreaktionsbereiche, an denen die Oxidoreduktionen stattfinden, in die Katode eingeführt werden.A chemical reaction system according to claim 1, wherein Microreaction areas where the oxidoreductions take place be introduced into the cathode. Chemisches Reaktionssystem nach Anspruch 1, wobei eine Arbeitselektrodenschicht zum Regeln von Oxidoreduktionen im oberen Teil der Katode ausgebildet wird und Mikroreaktionsbereiche mit einer Größe von Nanometern bis zu einem Mikrometer, an denen die Oxidoreduktionen stattfinden, in diese Schicht eingeführt werden.A chemical reaction system according to claim 1, wherein a working electrode layer for controlling oxidoreductions in the the upper part of the cathode is formed and microreaction areas with a size of nanometers up to a micrometer, at which the oxidoreductions take place, introduced into this layer become. Chemisches Reaktionssystem nach Anspruch 1, wobei eine Substanz, die die gesamten oder einen Teil der Mikroreaktionsbereiche ausmacht, auf die Zielsubstanz eine oxidierende oder reduzierende Wirkung hat.A chemical reaction system according to claim 1, wherein a substance which makes up all or part of the microreaction regions has an oxidizing or reducing effect on the target substance Has effect. Chemisches Reaktionssystem nach Anspruch 1, wobei die Metallphase aus ultrafeinen Teilchen einer Metallphase besteht, die durch eine Oxidoreduktion hergestellt wurde, die über einem Teil oder dem Gesamten eines Elektronenleiters oder eines elektrischen Mischleiters hervorgerufen wurde, indem das chemische Reaktionssystem in einer reduzierenden Atmosphäre Strom oder einer Wärmebehandlung unterworfen wurde.A chemical reaction system according to claim 1, wherein the metal phase consists of ultrafine particles of a metal phase, which was produced by an oxidoreduction, which over one Part or the whole of an electron conductor or an electric Mixed conductor was induced by the chemical reaction system in a reducing atmosphere Electricity or a heat treatment was subjected. Chemisches Reaktionssystem nach Anspruch 1, wobei der sauerstoffarme Teil aus einer sauerstoffarmen Schicht besteht, die durch eine Oxidoreduktion hergestellt wurde, die über einem Teil oder dem Gesamten eines Elektronenleiters oder eines elektrischen Mischleiters hervorgerufen wurde, indem das chemische Reaktionssystem in einer reduzierenden Atmosphäre Strom oder einer Wärmebehandlung unterworfen wurde.A chemical reaction system according to claim 1, wherein the oxygen-poor part consists of an oxygen-poor layer, which was produced by an oxidoreduction, which over one Part or the whole of an electron conductor or an electric Mixed conductor was induced by the chemical reaction system in a reducing atmosphere Electricity or a heat treatment was subjected. Chemisches Reaktionssystem nach Anspruch 1, das eine Struktur aufweist, in der der Innenleiter und der Elektronenleiter einander an mindestens einer Stelle berühren, um die Mikroreaktionsbereiche zu bilden, oder in der sie einander im Fertigungsverfahren dieses berühren.A chemical reaction system according to claim 1, which is a Structure in which the inner conductor and the electron conductor touching each other at at least one location to the microreaction areas or in which they touch each other in the manufacturing process of this. Chemisches Reaktionssystem nach Anspruch 1, wobei eine Sperrschicht einer Substanz, die die Elektronenleitung unterbrechen kann, auf dem Weg eingebunden wird, auf dem sich die Zielsubstanz von der Oberfläche der galvanischen Zelle zum Raum, an dem die chemische Reaktion stattfindet, entlang bewegt.A chemical reaction system according to claim 1, wherein a barrier layer of a substance that breaks the electron conduction can be involved on the way, on which the target substance from the surface the galvanic cell to the room where the chemical reaction takes place moved along. Chemisches Reaktionssystem nach Anspruch 1, wobei es sich bei der chemischen Reaktion um eine Umwandlungsreaktion von Materie oder Energie handelt.A chemical reaction system according to claim 1, wherein the chemical reaction is a conversion reaction of matter or energy. Chemisches Reaktionssystem nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Zielsubstanz um Stickstoffoxide handelt.A chemical reaction system according to claim 1, wherein the target substance is nitrogen oxides. Chemisches Reaktionssystem nach Anspruch 10, wobei es sich bei der chemischen Reaktion um den Reduktionsabbau von Stickstoffoxiden handelt.A chemical reaction system according to claim 10, wherein the chemical reaction is the reduction of nitrogen oxides. Chemisches Reaktionssystem nach Anspruch 9, wobei in dem chemischen Reaktionssystem eine chemische Reaktion, die durch die folgende allgemeine Formel dargestellt ist: Mox + xe → M + x/2O2 M → xe + Mx+ (wobei M ein Metall, O ein Sauerstoffatom und e ein Elektron ist), hervorgerufen wird.A chemical reaction system according to claim 9, wherein in the chemical reaction system, a chemical reaction represented by the following general formula: Mox + xe → M + x / 2O 2 M → xe + M x + (where M is a metal, O is an oxygen atom and e is an electron). Verfahren zur Fertigung des in einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 13 definierten chemischen Reaktionssystems, das das Einführen von Mikroreaktionsbereichen, an denen Oxidoreduktionen einer Zielsubstanz stattfinden, in einen chemischen Reaktionsteil, indem in einer reduzierenden Atmosphäre auf die Stellen des Kontakts zwischen einer Ionenleitungsphase und einer Elektronenleitungsphase, die sich aus einer Kombination von beliebigen eines Innenleiters, eines Elektronenleiters und eines elektrischen Mischleiters zusammensetzt, im chemischen Reaktionsteil Strom angelegt oder eine Wärmebehandlung angewendet wird, umfasst.Method of manufacturing in any the claims 1 to 13 defined chemical reaction system, the introduction of Microreaction areas where oxidoreductions of a target substance take place in a chemical reaction part, putting in a reducing Atmosphere on the locations of contact between an ion conduction phase and a Electron conduction phase resulting from a combination of arbitrary an inner conductor, an electron conductor and an electric Mixed conductor composed in the chemical reaction part current applied or a heat treatment is applied. Verfahren nach Anspruch 14, wobei, wenn die Substanzen einander berühren, um eine Grenzfläche zu bilden, sich eine von diesen oder beide in einem reduzierten Zustand befinden.The method of claim 14, wherein when the substances touching each other, around an interface to form one of these or both in a reduced State are. Verfahren zur Aktivierung eines chemischen Reaktionssystems, wobei in dem chemischen Reaktionssystem nach Anspruch 1 aus Metallphasenteilen einer Elektronenleitungsphase oder einer elektrischen Mischleitungsphase und sauerstoffarmen Teilen einer Ionenleitungsphase oder einer elektrischen Mischleitungsphase Paare gebildet werden.Method of activating a chemical reaction system, wherein in the chemical reaction system according to claim 1 of metal phase parts of a Electron conduction phase or an electric mixed conduction phase and oxygen-depleted portions of an ionic conduction phase or a mixed-phase electrical phase Couples are formed. Chemisches Reaktionssystem, in dem sich der chemische Reaktionsteil aus 1) einem Sauerstoffionenleiter (Ionenleitungsphase), einer Katode (Reduktionsphase) und einer dazugehörigen Anode (Oxidationsphase), wobei sich die Ionenleitungsphase zwischen diesen befindet, oder 2) einem Oxidations- und/oder Reduktionskatalysator als Grundeinheiten zusammensetzt, zum Durchführen chemischer Reaktionen einer Zielsubstanz, wobei der chemische Reaktionsteil in einer reduzierenden Atmosphäre oder unter vermindertem Druck Strom oder Spannung oder einer Wärmebehandlung unterworfen wird, um die Fähigkeit zum Ionisieren und Entfernen von Sauerstoff, der Reaktionen verhindert, wenn er durch den chemischen Reaktionsteil adsorbiert wird, zu aktivieren.Chemical reaction system in which the chemical Reaction part from 1) an oxygen ion conductor (ionic conduction phase), a cathode (reduction phase) and an associated anode (oxidation phase), with the ionic conduction phase between them, or 2) an oxidation and / or reduction catalyst as basic units composed to perform chemical reactions of a target substance, wherein the chemical reaction part in a reducing atmosphere or under reduced pressure, current or voltage or a heat treatment is subjected to the ability for ionizing and removing oxygen, which prevents reactions when adsorbed by the chemical reaction part, activate. Chemisches Reaktionssystem nach Anspruch 17, wobei ein chemischer Reaktionsteil, der eine Reduktionsschicht, die sowohl für Sauerstoff als auch eine Zielsubstanz Selektivität aufweist, und Löcher mit einer Größe von einem Mikrometer oder weniger, die zum effizienten Zuführen und Verarbeiten der Zielsubstanz in der Reduktionsphase erforderlich sind, aufweist, als der chemische Reaktionsteil verwendet wird.A chemical reaction system according to claim 17, wherein a chemical reaction part containing a reduction layer, both for oxygen and a target substance has selectivity, and holes with a size of one Microns or less, which allows for efficient delivery and processing of the target substance in the reduction phase are required, as the chemical Reaction part is used. Chemisches Reaktionssystem nach Anspruch 17, wobei ein chemischer Reaktionsteil, der Mikroreaktionsbereiche aufweist, an denen Oxidoreduktionen einer Zielsubstanz stattfinden und die in einen Teil des chemischen Reaktionsteils eingeführt wurden, indem in einer reduzierenden Atmosphäre oder unter vermindertem Druck auf die Stellen des Kontakts zwischen einer Ionenleitungsphase und einer Elektronenleitungsphase, die sich aus einer Kombination von beliebigen eines Ionenleiters, eines Elektronenleiters und eines elektrischen Mischleiters zusammensetzt, Strom oder Spannung angelegt oder eine Wärmebehandlung angewendet wurde, als der chemische Reaktionsteil verwendet wird.A chemical reaction system according to claim 17, wherein a chemical reaction part having microreaction regions where oxidoreductions of a target substance take place and which are in egg NEN part of the chemical reaction part were introduced by current or voltage in a reducing atmosphere or under reduced pressure to the points of contact between an ion conducting phase and an electron conducting phase, which consists of a combination of any of an ionic conductor, an electron conductor and a mixed electric conductor or a heat treatment has been applied when the chemical reaction part is used. Chemisches Reaktionssystem nach Anspruch 19, wobei ein chemischer Reaktionsteil verwendet wird, in dem Grenzflächen, die aus Metallteilen der Elektronenleitungsphase, sauerstoffarmen Teilen der Ionenleitungsphase und Mikroräumen (Zwischenräumen), die die Stellen des Kontakts dieser umgeben, bestehen, als die Mikroreaktionsbereiche ausgebildet werden.A chemical reaction system according to claim 19, wherein a chemical reaction part is used in the interfaces, the of metal parts of the electron conduction phase, oxygen-poor parts the ion conduction phase and microspaces (spaces), the Surrounding the places of contact of these exist as the microreaction areas be formed. Chemisches Reaktionssystem nach Anspruch 19, wobei ein chemischer Reaktionsteil, der Mikroreaktionsbereiche aufweist, an denen die Oxidoreduktionen stattfinden und die in die Katode eingeführt wurden, als der chemische Reaktionsteil verwendet wird.A chemical reaction system according to claim 19, wherein a chemical reaction part having microreaction regions, where the oxidoreductions take place and those in the cathode introduced were used when the chemical reaction part. Chemisches Reaktionssystem nach Anspruch 17, wobei ein chemischer Reaktionsteil, der eine Arbeitselektrodenschicht zum Regeln von Oxidoreduktionen im oberen Teil der Katode und Mikroreaktionsbereiche mit einer Größe von Nanometern bis zu einem Mikrometer aufweist, an denen die Oxidoreduktionen stattfinden und die in diese Schicht eingeführt wurden, als der chemische Reaktionsteil verwendet wird.A chemical reaction system according to claim 17, wherein a chemical reaction part, which is a working electrode layer for controlling oxidoreductions in the upper part of the cathode and microreaction regions with a size of nanometers up to to a micrometer where the oxidoreductions take place and that introduced into this layer were used when the chemical reaction part. Chemisches Reaktionssystem nach Anspruch 17, wobei es sich bei der Zielsubstanz um Stickstoffoxide handelt.A chemical reaction system according to claim 17, wherein the target substance is nitrogen oxides. Chemisches Reaktionssystem nach Anspruch 22, wobei es sich bei der chemischen Reaktion um den Reduktionsabbau von Stickstoffoxiden handelt.A chemical reaction system according to claim 22, wherein the chemical reaction is the reduction of nitrogen oxides. Verfahren zur Verwendung eines in einem beliebigen der Ansprüche 17 bis 24 definierten chemischen Reaktionssystems zum Durchführen von chemischen Reaktionen einer Zielsubstanz, das das Halten der Temperatur des Systems auf 400 bis 700 °C oder das Anheben oder Absenken der Temperatur innerhalb dieses Temperaturbereichs in dem chemischen Reaktionssystem und das Anlegen von Strom oder Spannung in Zeitintervallen, um den chemischen Reaktionsteil zu aktivieren, umfasst.Method of using one in any one the claims 17 to 24 defined chemical reaction system for performing chemical reactions of a target substance, keeping the temperature of the system at 400 to 700 ° C or raising or lowering the temperature within this temperature range in the chemical reaction system and the application of electricity or Voltage in time intervals to the chemical reaction part to activate, includes. Verfahren zur Aktivierung eines in einem beliebigen der Ansprüche 17 bis 24 definierten chemischen Reaktionssystems zum Durchführen von chemischen Reaktionen einer Zielsubstanz, das das Halten der Temperatur des Systems auf 400 bis 700 °C oder das Anheben oder Absenken der Temperatur innerhalb dieses Temperaturbereichs in dem chemischen Reaktionssystem und das Anwenden einer Strom- oder Spannungsbehandlung zwischen der Katode und der Anode für 1 Minute bis zu 3 Stunden umfasst.Method of activating one in any one the claims 17 to 24 defined chemical reaction system for performing chemical reactions of a target substance, keeping the temperature of the system at 400 to 700 ° C or raising or lowering the temperature within this temperature range in the chemical reaction system and applying a current or voltage treatment between the cathode and the anode for 1 minute up to 3 hours. Verfahren zur Aktivierung eines chemischen Reaktionssystems nach Anspruch 26, wobei durch Anlegen von Strom von 5 mA bis 1 A oder Spannung von 0,5 V bis 2,5 V eine elektrochemische Reaktion hervorgerufen wird.Method for activating a chemical reaction system according to claim 26, wherein by applying current of 5 mA to 1 A. or voltage of 0.5V to 2.5V elicited an electrochemical reaction becomes. Verfahren zur Aktivierung eines chemischen Reaktionssystems nach Anspruch 26, wobei die Strom- oder Span nungsbehandlung bei einem Sauerstoffpartialdruck von 0% bis 21% (in Atmosphäre) durchgeführt wird.Method for activating a chemical reaction system according to claim 26, wherein the power or voltage treatment at an oxygen partial pressure of 0% to 21% (in atmosphere) is performed. Verfahren zur Aktivierung eines in einem beliebigen der Ansprüche 17 bis 24 definierten chemischen Reaktionssystems zum Durchführen von chemischen Reaktionen einer Zielsubstanz, das das Halten der Temperatur des Systems auf 500 °C oder mehr oder das Anheben oder Absenken der Temperatur innerhalb dieses Temperaturbereichs in dem chemischen Reaktionssystem und das Wärmebehandeln des Systems in einer reduzierenden Atmosphäre oder unter vermindertem Druck umfasst.Method of activating one in any one the claims 17 to 24 defined chemical reaction system for performing chemical reactions of a target substance, keeping the temperature of the system at 500 ° C or more or raising or lowering the temperature within this temperature range in the chemical reaction system and the heat treatment of the system in a reducing atmosphere or under reduced pressure Pressure includes. Reaktionsverfahren, bei dem es sich um ein Oxidoreduktionsverfahren handelt, in dem ein Oxidoreduktionsreaktor verwendet wird, der sich aus einem Festelektrolyt-Sauerstoffionenleiter und mindestens einer Elektrode, die aus einem Elektronenleiter besteht, zusammensetzt, und das das Herstellen der Katode, die durch eine Oxidoreduktion eines Oxids AOx und eines Reduktionsmittels (R) auf Grundlage der Reaktionsformel AOx + R → ROy + AOx-y mit dem Reduktionsmittel (R) und dem Reduktionsprodukt AOx-y (wobei 0 < y ≤ x) versorgt wurde, oder das Herstellen der Anode, die durch eine Oxidoreduktion einer Verbindung A und eines Oxidationsmittels (R'Ox) auf Grundlage der Reaktionsformel A + R'Ox → R'Ox-y + AOy mit dem Oxidationsmittel (R'Ox) und dem Oxid AOy versorgt wurde, umfasst.A reaction process which is an oxidoreduction process using an oxidoreduction reactor composed of a solid electrolyte oxygen ion conductor and at least one electrode consisting of an electron conductor, and forming the cathode by an oxide reduction of a Oxide AO x and a reducing agent (R) based on the reaction formula AO x + R → RO y + AO xy with the reducing agent (R) and the reduction product AO xy (wherein 0 <y ≤ x) was supplied, or the production of the anode which supplies the oxidizing agent (R'O x ) and the oxide AO y by an oxidoreduction of a compound A and an oxidizing agent (R'O x ) based on the reaction formula A + R'O x .R'O xy + AO y was included. Reaktionsverfahren nach Anspruch 30, wobei die Katode mit einem Reduktionsmittel (R), das aus einem Metall oder Suboxid besteht, versorgt wird, (1) Oxid AOx (wobei x 1/2 der Oxidationszahl von A beträgt) in den Reaktor eingeführt und das Reduktionsprodukt AOx-y (wobei 0 < y ≤ x) durch eine Oxidoreduktion des Oxids AOx und des Reduktionsmittels (R) auf Grundlage der Reaktionsformel AOx + R → ROy + AOx-y hergestellt wird und (2) der Elektrode Strom zugeführt und das oxidierte Reduktionsmittel (ROy) durch die elektrochemische Reaktion, die durch die Reaktionsformeln y2e + ROy → R + yO2– (Katode) und yO2– → y 1/2 O↑ + y2e (Anode) dargestellt wird, reduziert wird, um das Reduktionsmittel (R) wiederherzustellen.A reaction process according to claim 30, wherein the cathode is supplied with a reducing agent (R) consisting of a metal or suboxide, (1) oxide AO x (wherein x is the oxidation number of A) introduced into the reactor and the Reduction product AO xy (where 0 <y ≤ x) is prepared by an oxide reduction of the oxide AO x and the reducing agent (R) based on the reaction formula AO x + R → RO y + AO xy and (2) supplied to the electrode current and the oxidized reducing agents (RO y ) by the electrochemical reaction, the is represented by the reaction formulas y 2e - + RO y → R + yO 2- (cathode) and yO 2 - → y 1/2 O ↑ + y 2e - (anode) is reduced to restore the reducing agent (R). Reaktionsverfahren nach Anspruch 31, wobei der Elektrode entweder nach oder gleichzeitig mit der Herstellung des Reduktionsprodukts AOx-y (wobei 0 < y ≤ x) durch eine Oxidoreduktion des Oxids AOx und des Reduktionsmittels (R) Strom zugeführt wird, um das Reduktionsmittel (R) wiederherzustellen.A reaction process according to claim 31, wherein the electrode is supplied with current either after or simultaneously with the production of the reduction product AO xy (where 0 <y ≤ x) by an oxide reduction of the oxide AO x and the reducing agent (R) to form the reducing agent (R). restore. Reaktionsverfahren nach Anspruch 32, wobei es sich bei dem Reduktionsmittel (R) um ein Stickstoffoxid-Reduktionsmittel handelt und ein Reduktionsprodukt von N2 durch eine Oxidoreduktion des Stickstoffoxid-Reduktionsmittels und des Stickstoffoxids NOx auf Grundlage der Reaktionsformel NOx + R → ROx + x/2N2 hergestellt wird, um das NOx zu entfernen.The reaction method according to claim 32, wherein the reducing agent (R) is a nitrogen oxide reducing agent and a reduction product of N 2 is an oxidoreduction of the nitrogen oxide reducing agent and the nitrogen oxide NO x based on the reaction formula NO x + R → RO x + x / 2N 2 is made to remove the NO x . Reaktionsverfahren nach Anspruch 33, wobei der Oxidoreduktionsreaktor ein Stickstoffoxid-Reduktionsmittel, das aus Metallen oder Suboxiden besteht, von denen 50% oder mehr eines oder mehrere aus Ni, Cu und Fe ausgewählte Elemente umfassen, eine Elektrode, die aus einem Elektronenleiter besteht, bei dem es sich um eine oder mehrere aus Au, Pt, Ag, Pd, einem Ni-Oxid, einem Cu-Oxid, einem Fe-Oxid und einem Mn-Oxid ausgewählte Verbindungen handelt, und einen Festelektrolyt-Sauerstoffionenleiter, der aus Zirconiumoxid besteht, umfasst.The reaction process of claim 33, wherein the oxidoreduction reactor a nitrogen oxide reducing agent consisting of metals or suboxides of which 50% or more of one or more of Ni, Cu and Fe selected Elements include an electrode made of an electron conductor which is one or more of Au, Pt, Ag, Pd, compounds selected from Ni oxide, Cu oxide, Fe oxide and Mn oxide and a solid electrolyte oxygen ion conductor made of zirconia consists of. Reaktionsverfahren nach Anspruch 33 oder 34, wobei die Größe des Stickstoffoxid-Reduktionsmittels 10 nm bis 1 μm beträgt.A reaction method according to claim 33 or 34, wherein the size of the nitrogen oxide reducing agent 10 nm to 1 μm is. Reaktionsverfahren nach Anspruch 33, wobei ein Oxidelektronenleiter, bei dem es sich um eine oder mehrere aus einem Ni-Oxid, einem Cu-Oxid, einem Fe-Oxid und einem Mn-Oxid ausgewählte Verbindungen handelt, mit einem Festelektrolyt-Sauerstoffionenleiter in Berührung gebracht und dem Elektronenleiter Katodenstrom zugeführt wird, um einen Teil des Oxidelektronenleiters zu reduzieren und ein Stickstoffoxid-Reduktionsmittel mit einer Größe von 10 nm bis 1 μμm zu bilden.The reaction method of claim 33, wherein an oxide electron conductor, which is one or more of a Ni oxide, a Cu oxide, a compound selected from Fe oxide and Mn oxide, contacted with a solid electrolyte oxygen ion conductor and cathode current is supplied to the electron conductor to form part of Reduce oxide electron conductor and a nitrogen oxide reducing agent with a size of 10 nm to 1 μμm to form. Reaktionsverfahren nach Anspruch 30, wobei die Anode mit einem Oxidationsmittel (R'Ox), das aus einem Oxid besteht, versorgt wird, (1) Verbindung A in den Reaktor eingeführt und Oxid AOy durch eine Oxidoreduktion der Verbindung A und des Oxidationsmittels (R'Ox) auf Grundlage der Reaktionsformel A + R'Ox → R'Ox-y + AOy hergestellt wird und (2) der Elektrode Strom zugeführt und das reduzierte Oxid R'Ox-y durch die elektrochemische Reaktion, die durch die Reaktionsformeln yO2– + R'Ox-y → R'Ox + y2e (Anode) und y2e + O2 → y2O2– (Katode) dargestellt wird, oxidiert wird, um das Oxidationsmittel (R'Ox) wiederherzustellen.A reaction process according to claim 30, wherein the anode is supplied with an oxidant (R'O x ) consisting of an oxide, (1) compound A is introduced into the reactor and oxide AO y is obtained by an oxidoreduction of the compound A and the oxidizing agent ( R'O x ) is prepared on the basis of the reaction formula A + R'O x → R'O xy + AO y and (2) the electrode is supplied with current and the reduced oxide R'O xy by the electrochemical reaction provided by the reaction formulas yO 2- + R'O xy → R'O x + y2e - (anode) and y2e - + O 2 → y2O 2- (cathode) is oxidized to recover the oxidant (R'O x ). Reaktionsverfahren nach Anspruch 37, wobei der Elektrode entweder nach oder gleichzeitig mit der Herstellung des Oxids AOy durch eine Oxidoreduktion der Verbindung A und des Oxidationsmittels (R'Ox) Strom zugeführt wird, um das Oxidationsmittel (R'Ox) wiederherzustellen.A reaction process according to claim 37, wherein power is supplied to the electrode either after or simultaneously with the production of the oxide AO y by an oxidoreduction of the compound A and the oxidant (R'O x ) to recover the oxidant (R'O x ). Reaktionsverfahren nach Anspruch 37 oder 38, wobei es sich bei der Verbindung A um eine Kohlenwasserstoff- oder organische Chlorverbindung handelt.A reaction method according to claim 37 or 38, wherein it is the compound A to a hydrocarbon or organic Chlorine compound is.
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